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【你问我答】石墨烯大讲堂(11)
“无论是在私人的朋友圈,还是材料类公众号平台,关于石墨烯的文章无处不在,还大有刷屏之势。不管是技术小白还是研发大咖,要是不知道石墨烯,是不是都不好意思和朋友、同事聊天呢!

什么,你还不知道石墨烯到底是啥??!!没关系,赶紧关注环球新碳这里开设了石墨烯大讲堂,为大家从零开始讲述生而不凡的新材料之王--石墨烯。

Duang, Duang, Duang!!! 环球新碳石墨烯大讲堂第11期闪亮登台开讲啦!这期的大讲堂主要和小伙伴们分享“波纹状石墨烯的性质和应用”。”

石墨烯大讲堂第10期中向大家分享了石墨烯的波纹结构。基于纵横比、物理尺寸、拓扑结构和秩序,可将这些波纹划分为三类:涟漪、皱纹和褶皱。皱纹和褶皱影响石墨烯几个电子方面的现象:包括抑制弱定位、电子-洞坑、带隙打开、双层中的伪磁场和载流子散射等。它们也表现出其它非典型的性质,如表面和光学改性、储能、化学活性增强和生物界面等。接下来小编将继续讲解波纹状石墨烯的性质和应用。

1 涟漪和波纹状石墨烯的电子性质
对没有杂质的平面石墨烯模型(理想化的模型)来说,费米能级位于狄拉克点,该处的电子态密度消失。石墨烯中的无序和杂质违反了石墨烯中电子的均匀性。缺陷掺杂(缺陷和本体间的电荷转移)和带电杂质使含有狄拉克点的石墨烯偏离布里渊区。石墨烯的波纹抑制电子传递、流动性、弱局域化(狄拉克点的波动)和量子修正。

2 皱纹和褶皱状石墨烯的表面性能
石墨烯上的皱纹也能调节它的表面性质和透明性。据报道,褶皱状石墨烯表现出可调的润湿性能和更好的透明性。水滴在褶皱状石墨烯上的接触角测量结果如图1所示。此外,将弹性体夹在石墨烯片层间,对弹性体施加电压会带来麦克斯韦应力,此应力会减小弹性体的厚度并增大弹性体的面积。电压可会引起在可见范围内透明度的改变。因此,皱纹状石墨烯可被作用压力传感器,器件的电阻随应力而变化。


3 皱纹和褶皱状石墨烯的储能应用
由于石墨烯的高比表面积和导电性,石墨烯被广泛用于超级电容器的电极。皱纹状和褶皱状石墨烯在此应用方面很有优势,因为这种石墨烯片层更加柔韧,在增加表面积的同时抑制堆叠。有学者通过堆积多层皱纹状石墨烯开发出透明的、可延展的超级电容器,而褶皱对确保可持续的伸展非常重要。此外,石墨烯上的皱纹提供了快速的锂离子扩散通道,激发势垒约0.1 eV,比平滑石墨烯的情况低(0.3 eV)。皱纹也额外提供了锂化时的扩展冗余,解决了“因体积膨胀引起阳极开裂”这一当前的主要挑战。


4 皱纹和褶皱状石墨烯的化学活性
石墨烯上电子-洞的形成受石墨烯的拓扑结构的主导,与石墨烯的功能化亲和性也有关系。很明显,石墨烯上的皱纹或其他拓扑结构反过来会影响石墨烯的化学性质。有报道称,复合物中功能化石墨烯片层的皱纹提供了与主机聚合物机制良好的联锁和相互作用。当石墨烯表面没有皱纹时,聚合物纳米复合物表现出增强的扩散性。
石墨烯上的涟漪、皱纹或褶皱也可以用来制备其它的石墨烯结构。如图3所示,通过设计基底的表面形貌,并采用合适的转移技术,皱纹状石墨烯可以在二氧化硅/硅表面合成而得。大面积的定向石墨烯纳米带(宽度小于10 nm)可通过等离子体刻蚀的方法获得。


5 波纹结构对石墨烯应用的影响
石墨烯上的涟漪相对无序且尺寸较小,抑制了石墨烯性能的改变(电子结构的改变除外)。因此,相对于其它类别的波纹状石墨烯,涟漪状石墨烯的应用有限。与此相反,石墨烯上的褶皱状在二维或三维空间排列较密,能显著改变石墨烯的化学活性和功能亲附性。因此,褶皱和皱纹状石墨烯被用于能量相关的研究(储能、超级电容器等),强导电性、高比表面积、热稳定性和机械稳定性、化学强健性非常重要。


值得一提的是,对上述提到的有些方面的应用,波纹状石墨烯是理想的。但有些方面的应用要求产生具有较少波纹的石墨烯。这种情况下,通过将石墨烯置于平整光滑的基底上(如氮化硼)可以抑制或除去悬浮石墨烯上的固有涟漪。此外,对用化学气相沉积法制备而得并需要转移到其它基底上的石墨烯,石墨烯上皱纹的密度可以采用几种方法来降低,如在生长阶段增加镍基底的厚度或在转移前将聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯泡于去离子水中。
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