Adv. Mater.：超高导电石墨烯薄膜的拓扑设计

【引言】

氧化石墨烯具有良好的溶解性，是制备石墨烯薄膜的主要原料。因其制备方法经济有效且性价比高，已吸引了大量专家学者从事相关研究。纸状石墨烯薄膜质轻、导电性高、机械强度大，具有广泛应用。珍珠状石墨烯薄膜是由氧化石墨烯分散体制备的，主要方法为：真空过滤、蒸发诱导自组装和旋转沉积等。虽然目前人们已经成功制备出珍珠状石墨烯薄膜，但制得的珍珠状石墨烯的最佳机械性能仍比单层石墨烯小几个数量级。

【成果简介】

近日，清华大学石高全教授和李春副研究员（共同通讯作者）于Advanced Materials期刊上发表“Topological Design of Ultrastrong and Highly Conductive Graphene Films”一文，报道了一种设计氧化石墨烯拓扑结构的新方法：通过蒸发诱导装配含有少量纤维素纳米晶体（CNC）的氧化石墨烯分散体，随后用氢碘酸进行化学还原，制备珍珠状石墨烯薄膜。这种新型制备方法大大提高了所得石墨烯薄膜的机械性能，因此，在柔性电子学领域具有很大的应用潜力。

【图文导读】

图1：石墨烯薄膜的拓扑设计及机械性能。

(a)相邻文石片表面纳米微突间互锁结构的扫描电镜图（上）及示意图（下）；

(b)珍珠状石墨烯薄膜的制备过程示意图；

(c)典型的GO和rGO膜应力-应变曲线图；

(d)不同γ_w(%)的ai-GO/CNC膜的应力和韧性比较；

(e)通过不同方法制备的其他石墨烯基ai-rGO膜与ai-GO膜的极限应力、韧性和导电性的比较，其中红色星星代表本文制备的薄膜。

图2：氧化石墨烯薄膜的微观结构。

(a)不同γ_w的ai-GO/CNC复合膜的XRD图；

(b)不同方法制备的ai-GO/CMC膜与ai-GO/CNC膜的典型应力-应变曲线图；

(c)ai-GO复合膜的XRD图；

(d)ai-GO复合分散体粘度与剪切速率的关系图。

图3：不同组分单层GO和rGO的拓扑结构。

(a-d)典型的AFM图和ai-GO与ai-rGO样品的截面图：(a1-d1)边缘处，(a2-d2)褶皱处。

其中，(a)ai-GO，(b) ai-GO/CMC (γ_w=5%)，(c)ai-GO/CNC (γ_w= 5%)，(d)原位还原的ai-GO/CNC (γ_w= 5%)。

图4：EDLC的电化学性能。

(a)两电极器件在不同扫描速率下的CV曲线；

(b)不同电流密度下的恒电流充放电曲线；

(c)奈奎斯特图（插图：高频放大图）；

(d)特定电容的实部和虚部与频率变化的关系图。

【小结】

本文设计了一种拓扑结构，用来合成珍珠状氧化石墨烯复合膜。利用这种方法制备石墨烯薄膜简单高效，所得薄膜导电性高、机械性能好，促进了高导电性石墨烯薄膜在柔性能量存储设备中的发展与应用。

文献链接：Topological Design of Ultrastrong and Highly ConductiveGraphene Films(Adv.Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201702831)

本文由材料人编辑部孙雪飞编译，雪琰审核，点我加入材料人编辑部。

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