石墨烯:用于材料制备的多功能模板

微观结构的精确调控是新型功能材料开发的关键。在诸多材料制备技术中,模板法是可以对材料形貌、尺寸以及取向等结构特征进行精确调控的有效方法,其关键是使反应发生在有效的控制区域内,实现基于“模子”的镜像生长。模板法中使用的“模子”可以分为硬模板和软模板,前者如多孔阳极氧化铝、分子筛、纳米管等,后者如表面活性剂分子聚集形成的胶团、聚合物等形成的微相结构以及高分子链的诱导吸附等。模板法也是制备碳材料的重要方法,如软模板诱导制备的有序介孔碳和以沸石为硬模板制备的微孔碳,以及由阳极氧化铝为模板制备的碳纳米管等;由于碳材料的结构复杂性,除了少量使用结构精确调控的碳纳米管和多孔碳作为材料制备模板外,鲜有以碳为模板的材料制备方法出现。

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图:石墨烯及其衍生物作为模板可控制备先进功能材料的示意图

由杨全红教授和吕伟博士带领的天津大学和清华大学深圳研究生院研究团队从新的视角考察石墨烯这种新型碳基材料,基于近年来石墨烯领域的研究进展和团队前期石墨烯组装化学的研究成果,较为系统地提出和讨论了以石墨烯材料作为“多功能碳模板”(Versatile template)的思想。基于石墨烯表面和边缘与前驱体材料的相互作用,通过沿特定方向成核(nucleation)生长或石墨烯二维平面取向(orientation)生长,可以实现材料的取向调控、新型二维材料的可控制备以及异质结的设计合成;以氧化石墨烯为代表的功能化石墨烯,既是一种二维材料,也可以看作两亲性的表面活性剂,在材料制备中同时体现了硬模板(hard template)和软模板(soft template)的特点;石墨烯片层叠层形成的二维纳米空间可以视为制备其它二维材料的模板,先于二维材料形成过程的预叠层(pre-stacking)和“种子”植入后形成的后叠层(post-stacking)技术对二维结构的构建有不同的限域效应;石墨烯构建的三维组装体结构也成为构建其他三维结构材料的理想模板,作为牺牲模板(sacrificial template)可以制备具有独特三维网络结构的功能材料,而在很多情况下作为模板的石墨烯三维结构不需要除去、作为支撑网络(supporting skeleton)可以提高杂化材料的导电和机械性能。总之,石墨烯基材料作为一类新型的多功能模板,不仅开辟了石墨烯新的应用方向,而且为合成具有特定纳米结构的材料提供了新思路和方法。目前石墨烯基模板在材料制备领域的应用已经取得了一定的进展,但仍存在诸多问题和挑战。比如石墨烯模板受片层形态、缺陷和表面化学等特性的影响较大,而目前缺乏行之有效的调控方法。对石墨烯模板多功能性和基于石墨烯模板的材料制备科学更深层次研究和讨论,将推动材料制备科学和技术的发展,同时也更将体现石墨烯应用的多面性和多样性。

上述工作(Concept)近期在线发表在《Small》期刊(Small, 2016, DOI: 10.1002/smll.201503722)上。