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。
武汉理工大学何大平教授课题组与合作者李宝文教授提出了一种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。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1.285×105 S/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）。该研究成果以“Scalable Assembly of High Quality Graphene Films Via Electrostatic Repulsion Aligning”为题，发表于《Advanced Materials》上。
图1. PG和PG-TiNS5薄膜的制备和微观结构表征 a) 薄膜的制备示意图；b, c) PG和PG-TiNS5薄膜的截面SEM图像；d1-f2) PG和PG-TiNS5薄膜的表面SEM、三维超景深和AFM图像；g) PG-TiNS5薄膜截面对应元素的mapping图像。
图2. PG和PG-TiNS5薄膜组装过程中间阶段和取向性比较 a) PG和PG-TiNS5薄膜的小角散射图像以及对应的方位图；b) 二氧化钛纳米片的含量与薄膜的密度、孔隙率和厚度的线性关系；c, d) PG和PG-TiNS5的偏关显微镜图像; e, f) PG和PG-TiNS5的TEM图像；g) PG、TiNS和PG-TiNS5的Zeta电位。
图3. PG和PG-TiNS5薄膜的力学性能 a, b) PG和PG-TiNS5 薄膜的应力应变曲线图以及拉伸强度和应变的柱状图；c, d) PG和PG-TiNS5薄膜的断口表面SEM图像；e, f) 弯折180°后PG和PG-TiNS5薄膜的截面SEM图像。
图4.薄膜的电导率和弯折性能 a) PG和PG-TiNS5薄膜的电导率；b) PG-TiNS5薄膜与其它石墨烯基薄膜在不同温度处理下的电导率比较；c, d) PG-TiNS5薄膜弯折5000次的电阻变化规律。
图5. PG-TiNS5薄膜在电磁屏蔽和焦耳热上的应用 a) PG、TiNS和PG-TiNS5薄膜在X波段的电磁屏蔽效能；b) PG-TiNS5薄膜与其他复合材料的SSE/t比较；c) PG和PG-TiNS5薄膜的I-V曲线；d) PG-TiNS5薄膜在3 V直流电压下的循环稳定性测试；e) PG和PG- TiNS5薄膜在焦耳热、电导率、强度、应变和电磁屏蔽效能中的综合性能对比雷达图。
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。课题组博士研究生钱伟和傅华强为论文共同第一作者。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。
课题组网页：http://wlsys.whut.edu.cn/work/index.html
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202206101
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