高定向热解石墨

石墨的断裂强度为130 GPa，杨氏模量为1.0 TPa。然而，这种优异的机械性能处于纳米级水平，对于宏观石墨烯片层组件来说还没有实现。这种性能退化是由以下原因造成的:不同片层之间的错位，以及由此导致的不良应力传递。许多研究集中在通过增加石墨烯排列和改善片层间相互作用来改善石墨烯片层阵列的机械性能。此外，利用微毛细管的剪切场对氧化石墨烯进行定向，然后在2500℃退火，可以得到拉伸强度为1.9 GPa的石墨烯带。然而这两种方法都需要较高的退火温度，可能不适合制造面内各向同性的薄板。学者们试图通过近室温组装获得高强度石墨烯片材，但是由于受到石墨烯层的错位而受挫，因为这会降低机械性能。虽然面内拉伸可以减少这种错位，但在释放拉伸时会重新出现。北京航空航天大学程群峰教授与德克萨斯大学达拉斯分校Ray H. Baughman教授领导的团队，提出使用共价键和π-π片层间桥接，来永久冻结拉伸诱导的石墨烯片排列。相关论文以题为“High-strength scalable graphene sheets by freezing stretch-induced alignment”发表在Nature Materials上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-020-00892-2本文所述的近室温工艺(低于50℃)或其改进可潜在地用于将廉价开采的石墨转化为高性能石墨烯复合材料，该复合材料适用于航空航天和汽车应用，这些领域轻量的特性尤其重要。目前制造的高强度、高模量和高韧性板材可使用简单的双面铸造工艺进行扩展。此外，研究已经表明，4 wt%的市售树脂或π-π桥联剂的单层厚度提供了有效的层压，能够制造无限厚的大面积片材。与机械强度高的替代材料相比，这些板材无需层压，可提供非常高的电磁干扰屏蔽性能。此外，所获得的高机械性能和高电导率的组合可以潜在地用于各种应用，例如为飞机机身提供雷击保护。拉伸诱导双轴取向过程中，顺序桥接可以产生具有高面内拉伸强度(1.55 GPa)的顺序桥接(SB)、双轴拉伸(BS)rGO片(称为SB-BS-rGO片)。图1a显示了SB-BS-rGO板的制造方法。图1b中示出了所得的SB-BS-rGO片材的结构模型。图1 | SB-BS-Rgo片的制造工艺和结构示意图研究人员使用广角X射线散射图(图2a、图2b)表征石墨烯片层排列，并用赫尔曼取向因子(f)描述。rGO片的f(0.810)比SB-BS-rGO片的f(0.956，图2e)低得多。rGO片的扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜图像显示石墨烯片之间存在大量大规模空隙(图2a-c)，这可能是基于过滤的自组装和碘化氢还原过程造成的。图2 Rgo片和SB-BS-rGO片的结构特征对rGO片的原位拉曼测量(图3a)显示，当施加的应变低于0.6%时，向石墨烯片层的应力转移增加，然后保持到3.9%，其中增加的应变不会增加石墨烯片层上的应变。相比之下，对SB-BS-rGO薄片的拉曼测量(图3b)显示，在直至薄片断裂的整个应变范围内(大约2.8%)，所施加的拉伸应变越来越多地转移到石墨烯薄片上。石墨烯片的紧密堆叠限制了它们的面外变形，减小了面内方向的负热膨胀的大小。rGO石墨烯片的负热膨胀的幅度小于SB-BS-rGO片(图3c)，这与实验测量的紧密度一致。应力松弛提供了相关的动力学信息。SB-BS-rGO比rGO板具有更高的抗应力松弛能力(图3d)。图3 Rgo片和SB-BS-rGO片的拉曼、热膨胀、应力松弛和x光衍射数据拉伸力学试验表明，重叠的SB-BS-rGO片材在非重叠区域断裂，这不是由于重叠区域的剪切断裂而失效。此外，重要的是要注意的是，层压的SB-BS-rGO片在没有分层的情况下发生了断裂。即使忽略SB-BS-rGO片材的重叠区域，导出的抗拉强度、韧性和杨氏模量也接近于单个SB-BS-rGO片材的抗拉强度、韧性和杨氏模量(图4a)。图4 DB铸造SB-BS-rGO（DB）片和SB-BS-rGO（DB）片的机械和电气性能总的来说，研究人员通过连续共价键和π-π桥连冷冻石墨烯取向，得到了拉伸强度分别为1.47倍、2.50倍和1.41倍的平面内各向同性石墨烯片。该制备工艺在室温下完成，未来可能在廉价获得的石墨烯转化为高性能轻量的石墨烯复合材料，而这在航空航天和汽车应用中将会有极为重要和广泛地应用。

石墨烯和石墨表面的共价修饰纳米图案研究人员在本文中展示了一种共价修饰的方法，并由此在石墨烯以及高定向热解石墨（HOPG）的表面成功地控制了纳米图案的形成过程。他们在对制得的样品进行了纳米级的表征后发现可以通过改变电化学反应的条件来调控所得纳米图案的尺寸。这种可以在表面构建纳米图案结构的方法使得目前电子产品微型化这一趋势可以进一步发展，同时也有益于其它各种各样纳米技术的应用。虽然目前已经存在一系列的自下而上的技术（也就是从单个分子的基础上搭建特定结构 ）并被应用于在石墨烯以及HOPG基底上形成纳米图案结构。但是这些结构通常由非共价键形成，因此其稳定性受到很大的局限。 由来自比利时、越南和英国的科研人员组成的团队报道了一种通过共价修饰来控制纳米图案形成的方法。石墨的表面暴露在电解液中，而电解液包含了芳基重氮盐 NBD（4-nitrobenzenediazonium）以及TBD（3,5-bis-tert-butylbenzenediazonium）。然后在电化学池中通过循环伏安法以及计时电流法进行接枝反应。 研究人员通过原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）对样品进行了表征并在修饰后的石墨烯或HOPG表面发现了近乎圆形的斑点。这种结构被称为”nanocorrals”，研究人员认为其是由实验过程中在近表面形成的气泡引起的。AFM图像表明这种nanocorral的直径（约为45-130 nm）以及密度（20−125/μm2）可以通过分别改变电化学活化条件以及电解质比例的方法来进行人为调控。 这一实验方法可以十分便捷的制备出可调控的图形结构，可以在纳米约束反应中用作微小的“培养皿”。这种方法还可以促进超分子自组装领域以及其它表面反应的研究。Instrument usedCypher ES Techniques used研究人员通过循环伏安法制得样品后，借助了牛津仪器快速扫描AFM Cypher ES，以轻敲模式(tapping mode)对样品的表面形貌进行了纳米级的表征。Cypher ES具备着对样品环境进行精确控制的能力，在本实验中研究人员由此保持了样品处于32°C的恒温下。除了精确的多元环境控制功能，Cypher ES还具备着快速扫描、简单易用以及优于传统AFM的空间分辨率等优点。 Citation: Thanh Phan, Hans Van Gorp, Zhi Li et al., Graphite and graphene fairy circles: a bottom-up approach for the formation of nanocorrals. ACS Nano 13, 5559 (2019). https://doi.org/10.1021/acsnano.9b00439 Note: The data shown here are reused under fair use from the original article, which can be accessed through the article link above.

石墨烯具备超强导热性与导电性、以及轻质高强、柔性、透明等无比伦比的特性，被誉为“新材料之王”，应用前景十分广阔。自2004 年问世以来，关于石墨烯的研究热度持续不减，新兴研究领域不断被开拓。本文对近期石墨烯领域的部分综述进行盘点汇总，以此总结该领域最新前沿科研成果，以飨读者。（鉴于篇幅的原因不能面面俱到，如有遗漏，欢迎大家留言补充。）宁波材料所在石墨烯复合硅碳负极材料及其高能量密度锂离子电池方面取得进展动力电池、消费类电池等终端产品对高能量密度锂离子电池需求越来越强。目前，产业界主要采取硅碳复合路线来提升硅基负极应用水平，但高比容量的硅碳负极材料嵌/脱锂过程体积膨胀巨大，循环过程中活性材料会发生结构失效导致电接触变差，表面固体电解质膜反复破裂/再生导致电解液快速消耗，锂离子电池可逆容量迅速衰减。针对硅碳负极材料的体积膨胀问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所刘兆平研究团队从源头出发，创新性地构筑了高机械稳定的自机械抑制石墨烯复合硅碳负极材料。刘兆平团队将氧化亚硅和石墨烯浆料在液相体系混合均匀，其中沥青作为添加剂，通过喷雾干燥、高温热处理和化学气相沉积等一系列工艺，制备类球形的石墨烯/沥青裂解碳封装硅氧化物复合负极材料（SiOx/Graphene/C，简称SGC），SGC复合负极材料可维持石墨烯宏观结构的完整性和机械稳定性。自机械抑制石墨烯复合硅碳负极材料制备研究表明，SGC复合负极材料可抑制SiOx摄锂量，降低体积膨胀，提升循环稳定性。该高性能石墨烯复合硅碳负极材料已成功实现产业化，研制出能量密度达350-400Wh/kg的系列新型高能量密度锂离子电池。俄罗斯借石墨烯涂层开发出新材料：用“微电厂”取代电池技术俄罗斯国立研究型技术大学与俄罗斯科学院微电子技术问题研究所科研人员，通过沉积石墨烯涂层技术开发出一种独特的硅纳米复合材料，这一研发成果将加速直接放置在电子产品印刷电路板上的“微电厂”技术的发展。俄罗斯国立研究型技术大学半导体与电介质材料科学系副教授叶卡捷琳娜戈斯捷娃解释说：“我们提出了独一无二的方法，在硅结构整个深度的孔道内壁上沉积多层石墨烯涂层。目前没有其他方法可以生产用于高效微燃料电池的电极。这种电源不仅可以为设备提供长期备用电源，而且可能会随着时间的推移取代电池。”郑大《ACS Nano》：MXene/石墨烯气凝胶实现超强电磁波吸收！郑州大学申长雨院士和刘春太教授课题组通过定向冷冻法和肼蒸汽还原法制备得到一种新型的含有磁性Ni纳米链锚定的三维MXene/石墨烯复合气凝胶(命名为NiMR-H)。特殊的取向结构和介电/磁性组分的异质界面有利于获得优异的吸波性能，具有良好的阻抗匹配、多重极化和电/磁耦合效应。NiMR-H气凝胶制备示意图及结构形貌表征图中国科大实现二维石墨烯室温铁磁性中国科学技术大学国家同步辐射实验室教授闫文盛研究组与副研究员孙治湖合作，通过磁性金属原子精确可控掺杂策略，实现二维石墨烯的室温铁磁性。该研究组利用两步浸渍—热解的方法，在氮原子辅助下，将钴原子掺杂在石墨烯晶格中，样品在室温下饱和磁化强度为0.11emu/g，居里温度达到400K。通过同步辐射软、硬X射线谱学技术和多种X射线谱学解析方法，研究人员证实样品中的钴是以平面四边形四氮化钴结构单元原子级分散于石墨烯晶格中的，排除了磁性起源于钴相关第二相的可能，四氮化钴结构单元是室温铁磁性的主要来源。精确可控的钴原子掺杂激活石墨烯室温铁磁性曹原一周连发两篇《Nature》：魔角石墨烯再次突破021年4月1日，来自美国麻省理工学院的曹原(通讯兼第一作者)&Pablo Jarillo-Herrero等研究者，通过进行热力学和输运测量，研究了魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）的对称性破缺多体基态和非平凡拓扑现象。同时，也使魔角石墨烯的理论和实验都更趋近于一个统一的框架，为我们开发新型的量子材料，带来了更多可能。4月7日，曹原再发《Nature》，本文是关于魔角石墨烯中的Pomeranchuk效应的熵证据。当前相关态的杂化特性和能量尺度的大分离对于双层扭曲石墨烯中相关态的热力学和输运性质具有重要意义。山西大学：利用OAT法实现超高垂直石墨烯薄膜生长山西大学激光光谱研究所陈旭远教授团队在三维竖直石墨烯制备及储能应用领域取得突破性进展，研究成果近日发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。该团队开发了一种氧辅助“修正”(OAT)工艺以消除过密的石墨烯片层，阻止片层随时间增长而聚集，克服了生长过程中竖直石墨烯厚度饱和的现象。未聚合的竖直石墨烯陈旭远团队利用这种方法合成了高达80微米的超高竖直石墨烯，并应用于超级电容器中，获得了241.35mF cm–2的面积比电容，展现出了优越的电化学性能及储能能力。值得注意的是，80微米的高度并非该合成技术所能达到的最大值，通过氧辅助“修正”工艺可以获得任意高度的竖直石墨烯。这项工作对于高负载竖直石墨烯的合成具有重要的指导意义。与IC兼容的制造工艺和出色的储能能力使得OAT竖直石墨烯在集成芯片、器件领域中具有非常大的应用潜力。 《ACS Macro Letter》3D打印明胶氧化石墨烯墨水实现自发成肌分化釜山国立大学Dong-Wook Han与韩国亚洲大学Ki Dong Park教授团队在高分子领域顶刊《ACS Macro Letters》上发表了其最新研究成果，由富含酚的明胶（GHPA）和氧化石墨烯（GO）组成的3D可打印生物墨水，是诱导肌发生的材料的组成部分，可通过双重酶介导的交联反应原位形成水凝胶网络。原位可固化的GO/GHPA水凝胶可以成功地用作3D可打印的生物墨水，以提供合适的细胞微环境，并促进C2C12骨骼肌成肌细胞的成肌分化。总体而言，研究团队建议功能性生物墨水可能在肌肉组织工程和再生医学中有用。GO/GHPA水凝胶基质的3D生物打印和理化特性“石墨烯检测技术及应用进展”主题网络研讨会随着业界对石墨烯的高度关注，我国石墨烯研发和产业化得到了快速发展，但其产业化仍然面临诸多挑战和问题。石墨烯的“杀手锏”级应用仍在探索中，石墨烯标准、检测体系不完善，产品鱼龙混杂，市场亟需标准化。基于此，仪器信息网联合国家石墨烯产品质量监督检验中心、全国纳米技术标准化技术委员会低维纳米结构与性能工作组，将于2021年5月11日举办 “石墨烯检测技术及应用进展”主题网络会议。邀请业内专家以及厂商技术人员就石墨烯最新应用研究进展、检测技术、检测方法、质量评价体系及标准化等展开探讨，推动我国石墨烯产业健康发展。会议日程报告主题报告人单位绝缘衬底表面石墨烯晶圆生长研究进展王浩敏中国科学院上海微系统与信息技术研究所待定刘峥国家石墨烯产品质量监督检验中心待定谭平恒中国科学院半导体研究所石墨烯导热增强复合材料与热界面材料林正得中国科学院宁波材料技术与工程研究所二维半导体及异质结的生长与光电性能调控肖少庆江南大学石墨烯等低维纳米材料的标准化动态和展望丁荣全国纳米技术标准化技术委员会低维纳米结构与性能工作组更多报告邀请中……报名方式扫描下方二维码或点击以下链接即可进入报名页面。（会议链接：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/Graphene2021/） 报名参会加入会议交流群，随时掌握会议动态