近期，中科院合肥物質(zhì)院固體所王振洋研究員團隊在高結(jié)晶石墨烯宏觀體的共價生長及其電學行為調(diào)制方面取得系列進展，相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Functional Materials和Chemical Engineering Journal上。      石墨烯是一種具有優(yōu)異力學、電學、熱學和光學性能的二維碳材料。石墨烯的高效制備及宏觀組裝對其規(guī)模應(yīng)用具有重要意義。目前，石墨烯宏觀體的常規(guī)制備方法如液相自組裝、3D打印和催化模板法等僅能實現(xiàn)石墨烯片層間的非共價弱相互作用連接，導致石墨烯晶體結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，成為限制石墨烯宏觀體電學性質(zhì)的主要因素。

鑒于此，研究人員開發(fā)了一種激光輔助的layer-by-layer共價生長方法來制備高結(jié)晶石墨烯宏觀體，分子動力學模擬從理論上揭示了其共價生長機制。共價生長法使得材料具有連續(xù)的晶體結(jié)構(gòu)，與非共價組裝相比，其跨層電導率實現(xiàn)了100倍的提高。該材料有助于解決石墨烯規(guī)模化應(yīng)用面臨的層狀堆垛、晶體質(zhì)量調(diào)控、離子輸運通道、體積效應(yīng)等問題，為石墨烯的儲能電極應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果以“Macro-sized All-graphene 3D Structures via Layer-by-layer Covalent Growth for Micro-to-macro Inheritable Electrical Performances”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater., 2023, DOI: 10.1002/adfm.202305191)上。      此外，為了解決石墨烯電極中低自由電子濃度導致的電導率不夠理想的問題，研究人員將富含自由電子的銅納米粒子引入到材料體系中，在Cu與石墨烯界面形成了穩(wěn)定的Cu-C鍵，從而通過電子注入實現(xiàn)了復(fù)合材料超高的導電性能，電導率達到與純金屬接近的0.37×107 S m-1， 是純石墨烯的3000倍。進一步利用X射線吸收精細結(jié)構(gòu)（XAFS）光譜，結(jié)合密度函數(shù)理論（DFT）模擬揭示了界面結(jié)構(gòu)對電導率的影響，該結(jié)果對于石墨烯的電導率調(diào)制以滿足不同應(yīng)用具有重要意義。相關(guān)研究成果以“A General Way to Manipulate Electrical Conductivity of Graphene”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal (Chem. Eng. J., 462, 142319(2023))上。      上述工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、安徽省科技重大專項、安徽省重點研發(fā)計劃等項目的支持。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202305191

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894723008707

圖1. 高結(jié)晶石墨烯宏觀體的layer-by-layer共價生長及其表征。

圖2.（a）不同銅含量的石墨烯電導率；（b）不同銅含量的石墨烯載流子遷移率和載流子密度。