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武漢理工大學Advanced Materials： 宏觀石墨烯膜最新研究成果
近日，武漢理工大學理學院何大平教授團隊在宏觀石墨烯膜的研究上取得創新性突破，提出二維納米片靜電排斥對齊策略有效實現了高質量宏觀石墨烯膜的批量化制備。該研究成果以“Scalable Assembly of High Quality Graphene Films Via Electrostatic Repulsion Aligning”為題，發表在國際材料領域頂級期刊《Advanced Materials》上。團隊博士研究生錢偉和傅華強為論文共同第一作者，材料科學與工程學院李寶文教授為論文共同通訊作者。
石墨烯被稱為二十一世紀的新材料之王，兼具柔性、輕質及超高的導電、導熱與耐腐蝕等特性，在熱管理、傳感器和電子器件等領域具有廣泛的應用前景。為實現石墨烯材料的宏觀應用，需要將其組裝為高質量的宏觀材料。傳統的高性能宏觀石墨烯膜的合成通常是以氧化石墨烯為前驅體，經過化學、高溫還原及輥壓等復雜工藝處理得到。相比之下，使用低缺陷的原始石墨烯作為前軀體可以有效避免復雜工藝帶來的高能耗問題。然而，微觀尺寸的石墨烯在宏觀組裝過程中產生的孔洞缺陷和無規則排列將嚴重降低宏觀石墨烯膜的各項本征性能。
基于團隊前期石墨烯與二維納米材料（MOF納米片、Mxene等）（ACS Nano, 2022, 16, 3934；iScience, 2022, 25, 105001）相互作用研究的基礎上，本研究工作提出利用二維材料之間靜電排斥對齊效應，通過在原始石墨烯（PG）前驅體中添加微量的高電負性二氧化鈦納米片（TiNS），實現了高度有序且致密的宏觀石墨烯膜制備。研究表明，二氧化鈦納米片的高電負性改善了石墨烯漿料的分散性，從而促進了石墨烯納米片的有序自組裝。與純石墨烯漿料組裝的宏觀膜相比，優化制備的宏觀石墨烯膜內部微觀結構缺陷顯著減少，堆疊組裝的石墨烯片層的取向性顯著提升，使宏觀石墨烯膜的各向綜合性能顯著提高。其中，電導率提高了近一個數量級（達到1.285×105S/m），拉伸強度提高近4倍，同時展示出優異的柔性（耐彎折超5000次）。
石墨烯的高質量、低成本宏觀組裝是實現其應用的關鍵難題，這種利用靜電排斥對齊效應的策略簡單有效且易實現規?；a，對發展石墨烯等二維材料的調控、組裝、制造等具有重要的科學意義與應用價值。該研究得到了清華大學南策文院士的大力支持，得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委的資助。
何大平，武漢理工大學教授、博士生導師，現任理學院副院長，湖北省宏觀石墨烯技術專業型研究所所長。主要從事功能化石墨烯材料的制備與應用，尤其是石墨烯材料的合成與結構調控及其在熱管理、新能源設備、傳感器及射頻微波等交叉領域應用，依托所建立的相關產學研配套平臺成功推動多項成果轉化落地。個人獲“英國皇家學會牛頓學者”“湖北省高層次人才計劃（創業類）”“武漢英才（創業類）”等榮譽，2022年帶領團隊獲“全國工人先鋒號”榮譽稱號。
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2018年，咨詢公司麥肯錫估計，2030年由石墨烯制造的半導體市場總值可達700億美元。IDTechEx公司2021年報道，公司收到大批量的石墨烯訂單，包括用于超級電容器、鋰離子電池、涂層和熱管理領域；2022年7月，IDTechEx公司的報告顯示，石墨烯材料的種類、制造商和生產工藝種類繁多，應用多樣，價格差異很大。直到最近，石墨烯檢測的國際標準才開始實施。今年6月，《二維材料》雜志發表了國際上不同實驗室對通過化學氣相沉積（CVD）生長的石墨烯測量方法的首次比較結果，該研究有助于提高國際標準的準確性。
由美洲的大型鋼鐵生產商Gerdau成立的、總部位于巴西的Gerdau Graphene公司主要開發和銷售基于石墨烯應用的產品。該公司從多個來源獲取石墨烯材料，加工成各種不同產品的添加劑，例如聚合物、涂料和潤滑劑。對于不同的產品，石墨烯的分散配方不同。最終產品為1到10個原子厚的石墨烯均勻分散在與最終應用兼容的基質中。該公司用石墨烯作為聚合物材料的增強體，生產強度更高的塑料。目前上市的產品有石墨烯增強聚丙烯和聚乙烯母料。聚乙烯母料后續可用于制造更堅固、更薄的包裝和薄膜。
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