Adv. Mater.：超高導電石墨烯薄膜的拓撲設計

【引言】

氧化石墨烯具有良好的溶解性，是制備石墨烯薄膜的主要原料。因其制備方法經濟有效且性價比高，已吸引了大量專家學者從事相關研究。紙狀石墨烯薄膜質輕、導電性高、機械強度大，具有廣泛應用。珍珠狀石墨烯薄膜是由氧化石墨烯分散體制備的，主要方法為：真空過濾、蒸發誘導自組裝和旋轉沉積等。雖然目前人們已經成功制備出珍珠狀石墨烯薄膜，但制得的珍珠狀石墨烯的最佳機械性能仍比單層石墨烯小幾個數量級。

【成果簡介】

近日，清華大學石高全教授和李春副研究員（共同通訊作者）于Advanced Materials期刊上發表“Topological Design of Ultrastrong and Highly Conductive Graphene Films”一文，報道了一種設計氧化石墨烯拓撲結構的新方法：通過蒸發誘導裝配含有少量纖維素納米晶體（CNC）的氧化石墨烯分散體，隨后用氫碘酸進行化學還原，制備珍珠狀石墨烯薄膜。這種新型制備方法大大提高了所得石墨烯薄膜的機械性能，因此，在柔性電子學領域具有很大的應用潛力。

【圖文導讀】

圖1：石墨烯薄膜的拓撲設計及機械性能。

(a)相鄰文石片表面納米微突間互鎖結構的掃描電鏡圖（上）及示意圖（下）；

(b)珍珠狀石墨烯薄膜的制備過程示意圖；

(c)典型的GO和rGO膜應力-應變曲線圖；

(d)不同γ_w(%)的ai-GO/CNC膜的應力和韌性比較；

(e)通過不同方法制備的其他石墨烯基ai-rGO膜與ai-GO膜的極限應力、韌性和導電性的比較，其中紅色星星代表本文制備的薄膜。

圖2：氧化石墨烯薄膜的微觀結構。

(a)不同γ_w的ai-GO/CNC復合膜的XRD圖；

(b)不同方法制備的ai-GO/CMC膜與ai-GO/CNC膜的典型應力-應變曲線圖；

(c)ai-GO復合膜的XRD圖；

(d)ai-GO復合分散體粘度與剪切速率的關系圖。

圖3：不同組分單層GO和rGO的拓撲結構。

(a-d)典型的AFM圖和ai-GO與ai-rGO樣品的截面圖：(a1-d1)邊緣處，(a2-d2)褶皺處。

其中，(a)ai-GO，(b) ai-GO/CMC (γ_w=5%)，(c)ai-GO/CNC (γ_w = 5%)，(d)原位還原的ai-GO/CNC (γ_w = 5%)。

圖4：EDLC的電化學性能。

(a)兩電極器件在不同掃描速率下的CV曲線；

(b)不同電流密度下的恒電流充放電曲線；

(c)奈奎斯特圖（插圖：高頻放大圖）；

(d)特定電容的實部和虛部與頻率變化的關系圖。

【小結】

本文設計了一種拓撲結構，用來合成珍珠狀氧化石墨烯復合膜。利用這種方法制備石墨烯薄膜簡單高效，所得薄膜導電性高、機械性能好，促進了高導電性石墨烯薄膜在柔性能量存儲設備中的發展與應用。

文獻鏈接：Topological Design of Ultrastrong and Highly ConductiveGraphene Films (Adv.Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201702831)

本文由材料人編輯部孫雪飛編譯，雪琰審核，點我加入材料人編輯部。

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