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02-21
武汉理工大学Advanced Materials： 宏观石墨烯膜最新研究成果
近日，武汉理工大学理学院何大平教授团队在宏观石墨烯膜的研究上取得创新性突破，提出二维纳米片静电排斥对齐策略有效实现了高质量宏观石墨烯膜的批量化制备。该研究成果以“Scalable Assembly of High Quality Graphene Films Via Electrostatic Repulsion Aligning”为题，发表在国际材料领域顶级期刊《Advanced Materials》上。团队博士研究生钱伟和傅华强为论文共同第一作者，材料科学与工程学院李宝文教授为论文共同通讯作者。
石墨烯被称为二十一世纪的新材料之王，兼具柔性、轻质及超高的导电、导热与耐腐蚀等特性，在热管理、传感器和电子器件等领域具有广泛的应用前景。为实现石墨烯材料的宏观应用，需要将其组装为高质量的宏观材料。传统的高性能宏观石墨烯膜的合成通常是以氧化石墨烯为前驱体，经过化学、高温还原及辊压等复杂工艺处理得到。相比之下，使用低缺陷的原始石墨烯作为前躯体可以有效避免复杂工艺带来的高能耗问题。然而，微观尺寸的石墨烯在宏观组装过程中产生的孔洞缺陷和无规则排列将严重降低宏观石墨烯膜的各项本征性能。
基于团队前期石墨烯与二维纳米材料（MOF纳米片、Mxene等）（ACS Nano, 2022, 16, 3934；iScience, 2022, 25, 105001）相互作用研究的基础上，本研究工作提出利用二维材料之间静电排斥对齐效应，通过在原始石墨烯（PG）前驱体中添加微量的高电负性二氧化钛纳米片（TiNS），实现了高度有序且致密的宏观石墨烯膜制备。研究表明，二氧化钛纳米片的高电负性改善了石墨烯浆料的分散性，从而促进了石墨烯纳米片的有序自组装。与纯石墨烯浆料组装的宏观膜相比，优化制备的宏观石墨烯膜内部微观结构缺陷显著减少，堆叠组装的石墨烯片层的取向性显著提升，使宏观石墨烯膜的各向综合性能显著提高。其中，电导率提高了近一个数量级（达到1.285×105S/m），拉伸强度提高近4倍，同时展示出优异的柔性（耐弯折超5000次）。
石墨烯的高质量、低成本宏观组装是实现其应用的关键难题，这种利用静电排斥对齐效应的策略简单有效且易实现规模化生产，对发展石墨烯等二维材料的调控、组装、制造等具有重要的科学意义与应用价值。该研究得到了清华大学南策文院士的大力支持，得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委的资助。
何大平，武汉理工大学教授、博士生导师，现任理学院副院长，湖北省宏观石墨烯技术专业型研究所所长。主要从事功能化石墨烯材料的制备与应用，尤其是石墨烯材料的合成与结构调控及其在热管理、新能源设备、传感器及射频微波等交叉领域应用，依托所建立的相关产学研配套平台成功推动多项成果转化落地。个人获“英国皇家学会牛顿学者”“湖北省高层次人才计划（创业类）”“武汉英才（创业类）”等荣誉，2022年带领团队获“全国工人先锋号”荣誉称号。
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12-02
2018年，咨询公司麦肯锡估计，2030年由石墨烯制造的半导体市场总值可达700亿美元。IDTechEx公司2021年报道，公司收到大批量的石墨烯订单，包括用于超级电容器、锂离子电池、涂层和热管理领域；2022年7月，IDTechEx公司的报告显示，石墨烯材料的种类、制造商和生产工艺种类繁多，应用多样，价格差异很大。直到最近，石墨烯检测的国际标准才开始实施。今年6月，《二维材料》杂志发表了国际上不同实验室对通过化学气相沉积（CVD）生长的石墨烯测量方法的首次比较结果，该研究有助于提高国际标准的准确性。
由美洲的大型钢铁生产商Gerdau成立的、总部位于巴西的Gerdau Graphene公司主要开发和销售基于石墨烯应用的产品。该公司从多个来源获取石墨烯材料，加工成各种不同产品的添加剂，例如聚合物、涂料和润滑剂。对于不同的产品，石墨烯的分散配方不同。最终产品为1到10个原子厚的石墨烯均匀分散在与最终应用兼容的基质中。该公司用石墨烯作为聚合物材料的增强体，生产强度更高的塑料。目前上市的产品有石墨烯增强聚丙烯和聚乙烯母料。聚乙烯母料后续可用于制造更坚固、更薄的包装和薄膜。
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Matter：具有晶体-非晶双相超结构的高强韧氧化石墨烯纤维
近日，北京航空航天大学化学学院郭林教授、岳永海教授与欧洲国际纳米技术研究所王中长研究员等通过在氧化石墨烯纤维中构建晶体-非晶双相超结构，制备了一种具有高强度（935 MPa）和高韧性（10.6 MJ m-3）的纤维。不同于目前常规使用大片氧化石墨烯或者还原石墨烯的方法，该晶体-非晶双相强化策略提供了一种全新的制备高性能氧化石墨烯基纤维的方法。该工作以“Super-strong graphene oxide-based fibres reinforced by a crystalline-amorphous superstructure”为题发表在 Matter 上。北航化学学院李逢时博士后为文章第一作者，赵赫威副教授、博士生孙晓毅为共同第一作者，郭林教授、岳永海教授、王中长研究员为通讯作者。
高性能纤维在航空航天、生物医学、建筑和纺织等领域都具有广泛的应用。氧化石墨烯（GO）是制造高性能碳基纤维材料的最佳选择材料之一。当前，超强氧化石墨烯基纤维（强度>800 MPa）主要以大尺寸氧化石墨烯（平均尺寸>20 µm）或者还原氧化石墨烯为原料进行制备，上述原料的制备通常需要高温热处理或者需使用有毒性的氢碘酸或水合肼，不仅对环境不友好，而且存在一定的操作危险，因此，发展新的高强纤维增强策略，开发经济、高效且环境友好的制备高性能纤维材料的方法是当前高性能纤维研究领域的热点和难点问题。
郭林教授团队近年来一直专注于晶体/非晶双相增强策略的研究，2019年提出陶瓷纳米纤维的晶体/非晶双相增强策略，制备了报道时最强、最韧的氧化锆陶瓷纳米纤维（ACS Nano, 2019,13, 4191）；后续通过调控材料的生长与成核，实现了非晶氧化锆陶瓷层在羟基磷灰石纳米线表面的均匀生长，并模仿合成了天然牙釉质的无机非晶间质层，制备出从原子尺度到宏观尺度皆具有类牙釉质结构的人工牙釉质（Science,2022, 375, 551）；最近又成功开发了“非晶/晶体异质相-复杂界面构筑及可控组装”的复合材料组装路线，实现了力学性能优异的厘米尺度GO基复合板材的可控制备（Nature Materials, 2022, DOI: 10.1038s41563-022-01292-4）。
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