ACS Mater. Lett. | 石墨烯“保鲜膜”——空气中不稳定2D材料的防护服

石墨烯具有由sp2杂化碳原子构成的2D蜂窝状晶格,具有优异的柔性和稳定性,并且有出色的阻隔性能(据报道只有质子才能穿透完美的石墨烯)。那石墨烯可否被制作成其他不稳定2D材料的保护膜呢?保证所使用的的石墨烯膜完美无缺并且设计方便的转移方法是需要解决的关键问题。

自从石墨烯被发现以来,越来越多的二维(2D)材料进入人们的视野。石墨烯具有优异的稳定性,与之不同的是,其他多数2D材料稳定性不好。例如黑磷对空气中的氧气和水极为敏感,这极大的限制了其应用。石墨烯具有由sp2杂化碳原子构成的2D蜂窝状晶格,具有优异的柔性和稳定性,并且有出色的阻隔性能(据报道只有质子才能穿透完美的石墨烯)。那石墨烯可否被制作成其他不稳定2D材料的保护膜呢?保证所使用的的石墨烯膜完美无缺并且设计方便的转移方法是需要解决的关键问题。

近日,清华大学化学系张莹莹点击查看介绍)团队报道了一种可移除石墨烯“保鲜膜”,并展示了其良好的对原本在空气中不稳定的2D材料的保护效果。该石墨烯“保鲜膜”由CVD生长的大面积完整石墨烯膜、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜和热释放胶带(HRT)构成。其中HRT/PMMA层用作石墨烯转移的辅助层,保证了石墨烯保护层可以被完整、便捷的贴附和移除。将该“保鲜膜”覆盖在被保护物质表面,通过温和地加热可移除HRT,通过蒸汽可移除PMMA,从而留下石墨烯层;如果需要移除该石墨烯层释放出下层的被保护物质,可以再次借助HRT,将石墨烯揭除。

该工作以黑磷(BP)为例,展示了石墨烯“保鲜膜”优异的密封效果。通过系统地跟踪裸露的黑磷和被石墨烯保护的黑磷在空气中随时间演变过程中形貌和结构的变化,发现裸露的黑磷在空气中很容易被氧化(24小时之后便明显氧化),并且较高的湿度环境会进一步加速黑磷的降解。而被石墨烯保护的黑磷,即使在高湿度条件下,也可以在长达18天的监测中保持稳定,从而证实了石墨烯密封层可以有效地阻挡空气中的氧气和水。更重要的是,该石墨烯层可以借助热释放胶带被揭除,使得被保护的物质“重见天日”,以便进行其他操作。此密封/开封过程可以重复多次。基于该石墨烯“保鲜膜”便捷的使用用法和出色的保护效果,该工作有望促进以黑磷为代表的不稳定2D材料的研究与应用。

ACS Mater. Lett. | 石墨烯“保鲜膜”——空气中不稳定2D材料的防护服

图1.石墨烯“保鲜膜”的制备。

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图2. 使用石墨烯“保鲜膜”保护黑磷(BP)片层以及将石墨烯膜从BP片层表面揭除的过程。

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图3. 黑磷片层在大气环境下氧化过程。

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图4. 裸露的黑磷(BP)片层和被石墨烯保护的BP片层在不同湿度的空气中暴露前后的AFM形貌变化。(a)组 І:相对湿度为11.3%。(b)组 ІІ:相对湿度为25%。(c)组 ІІІ:相对湿度为54.4%。(d)组 Ⅳ:相对湿度为94.7%。

相关研究结果于近日发表在ACS Materials Letters。该研究得到了国家自然科学基金委(51672153)、科技部(2016YFA0200103)和国家青年拔尖人才基金的资助。

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ACS Mater. Lett. | 石墨烯“保鲜膜”——空气中不稳定2D材料的防护服

Seamless Graphene-Seal-Wrap as a Removable Protective Cover for Two-Dimensional Materials

Kailun Xia, Muqiang Jian, Chunya Wang, Zhe Yin, Mingchao Zhang, Huimin Wang, Yang Wu, Yingying Zhang*

ACS Materials Lett., 2020, DOI: 10.1021/acsmaterialslett.9b00344

Publication Date: January 28, 2020

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