《二维视界》之《势点2》:漫话石墨烯”工匠”——刘忠范院士

刘忠范院士,国内“著名的石墨烯大牛”之一,并于2011年成功当选中国科学院院士。自1993年在北大化院任职以来,刘忠范院士一直致力于纳米科学技术尤其是低维碳材料领域,完成了很多意义重大的工作。当石墨烯的“旋风”席卷中华大地之前,刘忠范院士便早已走在国际前列,在二维碳材料领域取得了许多重大的突破,例如二元合金催化生长、痕碳偏析生长石墨烯等开创性的工作。这里,我们就漫话石墨烯”工匠”—刘忠范院士的书架与货架的故事。

刘忠范

  • 书架的故事:决定未来的制备

最初的石墨烯是通过剥离得到,如何去控制得到石墨烯的大小、层数和增加其产量就成了研究者努力的方向。CVD生长法应运而生,但是两种主流金属催化基底——Ni的溶碳后析出、Cu的表面缺陷成核给石墨烯的生长添加了许多不必要的变数。大面积、均匀、单层便成为了石墨烯研究者的“CVD梦”。刘忠范院士便通过Ni-Mo合金做催化基底的方法,阻止了碳溶Ni后析出的过程,实现了具备高容错性的大面积均匀单层石墨烯的制备[1]。而后逆向思考,利用碳溶Ni后析出的过程,实现了低成本的Ni箔上偏析生长大面积石墨烯。之后,利用偏析过程进行可控掺杂[2]、可控层数、构筑异质结构和梯级供料技术实现大面积单晶石墨烯[3]的工作层出不穷。石墨烯制备的重心也在这段时间突破了单元的生长,逐渐转移到了新结构、新体系、新行为上面。这表明了工艺的成熟,也标志这未来应用可参照的基础更加坚实。因而,我们相信刘忠范院士摆在书架上的这些工作将会在未来应用石墨烯时成为优秀的“教科书”。

  • 货架的故事:杀手锏级的应用

制备的基础虽然已经打好,多专而不精的研究现状却使石墨烯这个“万金油”材料却依然难以亲近现实。受碳纤维发展的启发,刘忠范院士首次提出了标号石墨烯的概念,即具有特定性质而面向某一类特定应用的石墨烯。于是,卷对卷绿色转移实现批量制备石墨烯的技术应运而生[4]。这些高质量、受缺陷敏感度高的石墨烯薄膜也被刘忠范院士成为“女石墨烯”。

那么“男石墨烯”呢?刘忠范院士把这个标签分配给了易批量制备但缺陷程度高的粉体石墨烯。硅藻土,NaCl晶体,石墨粉、鱼骨、贝壳这些贴近生活的物质便成为了刘忠范院士生长“男石墨烯”的模板[5]。这些依据模板的粉体石墨烯往往具有多孔的三维结构,比表面积大结合石墨烯优秀的导电导热性质,因而在吸附、催化等领域具有相当重要地位。

但是,即便再“亲民”的石墨烯生长转移技术也依然处于实验研究的范畴。于是刘忠范院士打造的杀手锏级应用——石墨烯玻璃应用而生。仅仅只是将石墨烯和传统的玻璃相结合,便得到得到了各项性质均发生突破的新型导电导热玻璃[6]。集除雾、变色、加热、选择性透光等一系列功能于一身石墨烯玻璃必然会在不远的将来走进大众百姓的衣食住行。

如果说货币到商品是经济方面的最危险一跃的话,那么从书架到货架便是科学领域最危险的一跃,如果跳跃失败,摔坏的将不仅仅是研究者,更是投入大量人力物力的国家和社会。

  1. B. Dai, L. Fu, Z. Zou, M. Wang, H. Xu, S. Wang, Z. Liu. Nat. Commun. 2011, 2, 522.
  2. K. Yan, D. Wu, H. Peng, L. Jin, Q. Fu, X. Bao, Z. Liu. Nat. Commun. 2012, 3, 1280.
  3. L. Lin, L. Sun, J. Zhang, J. Sun, A. L. Koh, H. Peng, Z. Liu. Adv. Mater. 2016, 28, 4671.
  4. B. N. Chandrashekar, B. Deng, A. S. Smitha, Y. Chen, C. Tan, H. Zhang, H. Peng, Z. Liu. Adv. Mater. 2015, 27, 5210.
  5. K. Chen, C. Li, L. Shi, T. Gao, X. Song, A. Bachmatiuk, Z. Zou, B. Deng, Q. Ji, D. Ma, H. Peng, Z. Du, M. H. Rummeli, Y. Zhang, Z. Liu. Nat. Commun. 2016, 7, 13440.
  6. J. Sun, Y. Chen, M. K. Priydarshi, Z. Chen, A. Bachmatiuk, Z. Zou, Z. Chen, X. Song, Y. Gao, M. H. Rummeli, Y. Zhang, Z. Liu. Nano Lett. 2015, 15, 5846.
付 磊 About 付 磊

武汉大学化学与分子科学学院教授;主要研究二维材料的表面控制生长及其在柔性、能源领域的应用。更多信息请访问:http://leifu.whu.edu.cn