Science Island-teamet gjør nye fremskritt i studiet av makroskopiske kropper av høykrystallinsk grafen

Nylig har et team av forsker Zhenyang Wang fra Institute of Solid State, Hefei Institute of Materials Science, Chinese Academy of Sciences, gjort en rekke fremskritt innen kovalent vekst av høykrystallinske grafenmakrosomer og modulering av deres elektriske oppførsel, og relaterte forskningsresultater er publisert i Advanced Functional Materials and Chemical Engineering Journal.
Grafen er et todimensjonalt karbonmateriale med utmerkede mekaniske, elektriske, termiske og optiske egenskaper. Den effektive forberedelsen og den makroskopiske sammenstillingen av grafen er av stor betydning for dens storskalaapplikasjoner. Foreløpig kan konvensjonelle fremstillingsmetoder for grafenmakrosomer, slik som selvmontering i flytende fase, 3D-utskrift og katalytisk malmetode, bare realisere ikke-kovalent svak interaksjonsforbindelse mellom grafenlameller, noe som fører til diskontinuitet i grafenkrystallstrukturen og blir hovedfaktoren begrenser de elektriske egenskapene til grafenmakrosomer.
I lys av dette utviklet forskerne en laser-assistert lag-for-lag kovalent vekstmetode for å forberede høykrystallinske grafenmakrosomer, og molekylær dynamikksimuleringer avslørte teoretisk dens kovalente vekstmekanisme. Den kovalente vekstmetoden gjorde det mulig for materialet å ha en kontinuerlig krystallstruktur, og oppnådde en 100-dobling i dets tverrlagsledningsevne sammenlignet med ikke-kovalent sammenstilling. Materialet bidrar til å løse problemene med lagstabling, regulering av krystallkvalitet, ionetransportkanaler, volumeffekt og andre problemer som grafenes storskalaapplikasjon står overfor, og legger grunnlaget for grafens energilagringselektrodeapplikasjon. De relaterte forskningsresultatene ble publisert i Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater., 2023, DOI: 10.1002/adfm.202305191).
I tillegg, for å løse problemet med utilstrekkelig ledningsevne forårsaket av lav fri elektronkonsentrasjon i grafenelektroder, introduserte forskerne frie elektronrike kobbernanopartikler i materialsystemet, og dannet en stabil Cu-C-binding ved grensesnittet mellom Cu og grafen , og realiserer dermed den ultrahøye ledningsevnen til komposittmaterialet gjennom elektroninjeksjon, med ledningsevnen som når 0.37×107 S m-1, som er nær den for ren metall. Konduktiviteten når 0,37×107 S m-1, som er nær den for rent metall og 3000 ganger høyere enn for ren grafen. X-ray absorption fine structure (XAFS) spektroskopi kombinert med tetthetsfunksjonsteori (DFT) simulering avslører effekten av grensesnittstrukturen på konduktiviteten, noe som er av stor betydning for konduktivitetsmodulasjonen av grafen for å møte ulike bruksområder. Resultatene ble publisert i Chemical Engineering Journal (Chem. Eng. J., 462, 142319 (2023)).
Ovennevnte arbeid ble støttet av Kinas nasjonale nøkkelforsknings- og utviklingsprogram, Kinas nasjonale naturvitenskapelige stiftelse, hovedprosjektet Anhui Provincial Science and Technology og Anhui Provincial Key Research and Development Program.