石墨烯:传统材料的多功能表面修饰层

传统材料,如钢铁、玻璃、塑料等,存在于人类生活的方方面面。它们结构简单、廉价易得又不可或缺,在人类文明发展的各个阶段都曾经或正在起着至关重要的基石作用。然而,当下传统材料却显得过于原始,功能单一,难以满足日益迫切的智能化和信息化应用需求,这使得传统材料的功能集成逐渐成为一个重要的研究领域。理想的功能集成策略是,在不破坏材料内在结构和原本性质的同时,对其表面进行有效的功能化。当研究者们努力寻求高效的表面功能化途径时,石墨烯作为一种原子级厚度的二维材料,因其众多的优异性能而进入了研究者的视线。近些年有大量的工作致力于为传统材料“穿上”石墨烯外衣以实现其功能化,由此也带来了一个庞大的“超级石墨烯材料家族”的繁荣。

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图:石墨烯表面涂层功能化的超级材料家族

武汉大学付磊教授的先进纳米材料实验室从全新的视角考察了石墨烯对传统材料的表面涂层功能化,基于近年来该团队在高效透明石墨烯加热器件取得的研究成果及同行的相关研究进展,提出了石墨烯超级材料(Super graphene-X)概念。利用化学气相沉积(CVD)方法制备石墨烯的高质量、大面积及在各类材料表面良好包覆的优点,通过在各传统材料表面直接CVD生长或转移上一层石墨烯包覆层,可以实现各类传统材料的高效功能化,带来一系列神奇的性质。对于玻璃、石英等透明且绝缘的无机非金属材料,在其表面直接生长高质量石墨烯薄膜可实现一步制备透明导电器件,如高效透明除雾器,使原本功能单一的结构材料转型为前景广阔的器件,赋予其导电导热、加热、疏水、光催化和能量存储等新型性质和功能;对于矿物盐类和陶瓷类传统材料,通过石墨烯的包覆可实现废水处理、超级电容器、热运输等功能;对于强韧、导电但易腐蚀的金属材料,金属表面直接生长的高质量石墨烯薄膜可作为强劲的抗腐蚀保护层,使金属免于空气氧化和电化学腐蚀,显著提高材料的使用寿命并减少经济损失,同时石墨烯优异的电学性能可大大增强金属催化剂的电催化性能;另一方面,对于柔性透明但绝缘的聚合物材料,柔性石墨烯的包覆可实现各类功能在聚合物表面的柔性集成,从而实现柔性集成电路、透明加热传感器和可穿戴电子器件和光电器件的高效加工,用于各类智能化和信息化应用。

总之,无机非金属类、金属类和聚合物类的传统材料在表面包覆多功能的石墨烯后,可实现各类功能集成和材料转型,并由此产生“超级石墨烯材料”的新概念。目前石墨烯对传统材料的功能化表面修饰研究已取得了较大的进展,但仍然存在诸多尚待探索的空间。仍有多种传统材料的表面功能化有待研究,过渡金属二硫族化合物和六方氮化硼等其他新兴二维材料的表面功能化作用也有待发掘。采用对包覆二维材料修饰传统材料的策略进行更深层次的研究和讨论,更多的传统材料可能实现华丽转身,从而改变它们在我们生活中的角色,更好地服务于人类生产和生活的方方面面。相关工作近期在线发表在Small( DOI: 10.1002/smll.201603337)上。