近期，中科院合肥物質(zhì)院固體所王振洋研究員團(tuán)隊(duì)在高結(jié)晶石墨烯宏觀體的共價(jià)生長(zhǎng)及其電學(xué)行為調(diào)制方面取得系列進(jìn)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(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)性能的二維碳材料。石墨烯的高效制備及宏觀組裝對(duì)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(shí)現(xiàn)石墨烯片層間的非共價(jià)弱相互作用連接，導(dǎo)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(xué)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(jià)生長(zhǎng)方法來制備高結(jié)晶石墨烯宏觀體，分子動(dòng)力學(xué)模擬從理論上揭示了其共價(jià)生長(zhǎng)機(jī)制。共價(jià)生長(zhǎng)法使得材料具有連續(xù)的晶體結(jié)構(gòu)，與非共價(jià)組裝相比，其跨層電導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)了100倍的提高。該材料有助于解決石墨烯規(guī)?；瘧?yīng)用面臨的層狀堆垛、晶體質(zhì)量調(diào)控、離子輸運(yùn)通道、體積效應(yīng)等問題，為石墨烯的儲(chǔ)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(dǎo)致的電導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料超高的導(dǎo)電性能，電導(dǎo)率達(dá)到與純金屬接近的0.37×107 S m-1， 是純石墨烯的3000倍。進(jìn)一步利用X射線吸收精細(xì)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(duì)電導(dǎo)率的影響，該結(jié)果對(duì)于石墨烯的電導(dǎo)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省科技重大專項(xiàng)、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)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(jià)生長(zhǎng)及其表征。

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