【参赛作品】石墨烯薄膜新进展:通过可控脱水调节石墨烯薄膜的微结构

进入21世纪以来,随着全球能源短缺和环境污染的加剧,全世界对能源与环境问题更加重视。尤其是原油泄漏,水源污染,雾霾等日益突出的大气和水环境污染,不仅对各国社会和经济造成了负面影响,更对人类的生存造成了极大的威胁。如何在能源和环境两者之间实现共赢是人类的重要课题和挑战。纳米材料的问世给人们带来了曙光,通过设计和制备新材料实现能源和环境的友好发展成为当前科研的重要方向。作为材料界冉冉升起的明星,石墨烯具有一系列优良的理化性质和高的理论比表面积,同时衍生得到的石墨烯薄膜材料不仅继承了石墨烯的优异的理化特性,而且具有更加方便的宏观可操作性,在环保和柔性储能器件中表现出巨大的应用前景。

近日,一项基于石墨烯薄膜的研究成果实现了对有机污染物的高效治理。杨全红教授带领的天津大学和清华大学联合研究团队与中科院金属所共同合作在石墨烯自组装薄膜的研究上实现突破。基于水的相图引发的灵感,创新性地改变氧化石墨烯水凝胶薄膜的干燥方式,制备得到了具有开放层级孔道结构的石墨烯薄膜,且该薄膜在水污染处理和能量储存方面具有很大的应用潜力,在环保型柔性电子器件的设计和开发上具有很大指导意义。相关结果发表在近期《Advanced Functional Materials》(DOI: 10.1002/adfm.201304054)上。

该研究以气液界面自组装成膜机制为基础,提出利用氧化石墨烯薄膜中水分脱除对片层的牵动作用作为调控片层取向的驱动力,在微纳尺度上对氧化石墨烯薄膜的微观织构进行调控。研究发现,气液界面自组装得到的氧化石墨烯薄膜在采用低温负压冷冻干燥时,经过水的三相点时水发生相变产生的较强作用力使得石墨烯片层的取向发生了改变,从而实现了对薄膜微观织的调控,获得了具有一定柔性的开放层次孔道结构的氧化石墨烯薄膜。该薄膜一侧为层状结构,保证了其具有一定的机械性能,而另一侧的石墨烯片层在干燥时由于水脱除产生的作用力使其片层排列方式由平行排列转变为竖直排列,中间则是石墨烯片层相互交联形成的三维网络结构。研究结果表明,这种具有开放层级孔道结构的薄膜对有机染料及重油都表现出良好的吸附性能,对重油的吸附量最大可以达到自身重量的40倍,同时吸附动力学测试中表明该薄膜对亚甲基蓝吸附响应快,说明该薄膜在吸附有机污染物等环境保护方面有着非常重要的应用价值。此外,该薄膜由于具有独特的结构,其本身就可以作为一种超滤材料,在水的净化等生物环境领域具有可观的应用前景。在能源储存领域,基于该薄膜对硫以及锂硫电池中反应产生的多硫化合物具有很强的吸附性能,所以该薄膜与硫复合得到的电极作为锂硫电池正极测试时,在150个循环后容量几乎没有衰减(~100%),在500个循环时仍表现出良好的容量特性,在锂硫柔性薄膜器件的研发和应用上具有很大的指导意义。另外,该薄膜还表现出了优异的超电容性能,由于其具有独特的开放层级孔道结构,所以在水系和有机系中都表现出了很好的倍率性能,是一种潜力巨大的储能材料。

能源和环境是当前全球普遍关注的热点话题,在该工作中作者独具匠心地剖析水的三相变化,巧妙地利用独特的干燥方式得到了新型的具有开放孔道的石墨烯薄膜。该薄膜不仅具有优异的吸附性能,同时在超级电容器以及锂硫电池的应用中表现出很好的潜力。作为一种绿色环保型能源材料,该薄膜实现了在能源和环境上的双赢,为当前新材料以及新型电子器件的开发提供了新的思路和途径。

选材出处:Tailoring Microstructure of Graphene-Based Membrane by Controlled Removal of Trapped Water Inspired by the Phase Diagram