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石墨烯既是最薄的材料,也是最韧的材料。曾有实验证实,如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床,本身重量不足1毫克,却可以承受一只一千克的猫。
另外,石墨烯几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光,即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料,如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。
石墨烯的特殊性能使其迅速成为国际先进材料研发的新热点,引发了国内外科研人员的跟踪研究,牛利团队就是其中之一。
性能改良
这些年,牛利带领长春应化所现代分析技术工程实验室材料电化学课题组,密切关注国际石墨烯材料研发发展的最新趋势,围绕二维石墨烯材料理论设计、制备合成、性质表征以及其在电分析化学领域的应用开展了系列研究工作。
由于石墨烯片层之间具有强烈的相互作用,使其非常难以剥离。牛利告诉记者:“传统的氧化剥离方法是通过强氧化剂,让石墨烯边缘发生氧化作用,出现片层结构扭曲。这种方法由于使用大量的强氧化剂,如高锰酸钾、浓硫酸等试剂,制备的石墨烯材料结构可控性差,缺陷多,产率也较低。”此外,该方法直接产生的是石墨烯氧化物,还需要进一步的还原处理才能得到最终的石墨烯材料。
牛利团队利用微波能量辅助,同时辅以有机小分子插层剂,在石墨片层间通过微波逐渐渗透插层剂,使石墨烯片层逐渐剥离。“这项技术方法无需经过石墨烯氧化阶段,不仅可以直接制得高度还原性的石墨烯材料,还可以低成本、大批量制备高品质的石墨烯材料。”
当前,国际上制备石墨烯薄膜多采用昂贵的CVD(化学气相沉积)方法,牛利团队发现,这种方法很难控制薄膜的厚度,特别是难以进行复杂的图案化设计。另外,化学还原剂无论是液态还是气相的,都会导致二次化学试剂的使用。
“我们采用电化学技术,仅仅通过界面的电子转移过程,就可以控制石墨烯氧化物在界面的电化学还原沉积程度,这种方法技术简单、成本低廉、绿色环保,同时结构厚度、性状可控。”牛利说。
牛利团队还探索了新型石墨烯及其杂化材料在电极界面修饰、分析传感及其他相关领域的应用。
目标驱动
他们设计制备了石墨烯片层、薄膜和石墨烯杂化材料,并进一步探索了石墨烯及其杂化材料的化学结构特征和反应机理,将石墨烯及其杂化材料应用在传感分析、复合材料以及能源环境领域。
“作为工业技术,石墨烯要实现产业化,仍有许多未能克服的困难。”牛利指出,尽管国际上已经发布一些研究结果,将石墨烯用于电池电极材料、电容器器件构造、力学增强材料、导热薄膜等应用领域中,但这些领域的研究还有诸多的科学及工程技术问题亟待解决。
因为石墨烯的制备方式目前在技术上还存在缺陷,通过实验室内研制的石墨烯成本居高不下。曾有研究人员计算出目前的石墨烯价格高达5000元/克,比黄金还贵十几倍。
围绕化学制备石墨烯材料,低成本、大批量制备高品质石墨烯是个值得关注的技术问题。围绕微电子学及器件领域,科研人员还需要解决如何降低器件材料的制备成本、提高器件结构的均一性,如何将微观操作及纳米构造技术用于石墨烯器件中等问题。
目前在石墨烯材料的一些应用领域,如储能器件、导热材料、透明薄膜等方面,虽然已经有围绕需求的、具有应用前景的研究工作报道,但由于缺乏明显的直接应用领域及工程技术方法的结合应用,导致研究工作与应用需求还存在一定的距离。
牛利告诉记者:“将基础研究与工程技术方法有机结合,特别是与应用目标驱动结合,将会使石墨烯材料研究成果更好地投入到实际应用中。”
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