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材料缺陷之美—多孔石墨烯
2021/4/9 11:47:40

       多孔石墨烯是指在二维基面上具有纳米级孔隙的碳材料,是近年来石墨烯缺陷功能化的研究热点。多孔石墨烯不仅保留了石墨烯优良的性质,而且相比惰性的石墨烯表面,孔的存在促进了物质运输效率的提高,特别是原子级别的孔可以起到筛分不同尺寸的离子分子的作用。更重要的是,孔的引入还有效地打开了石墨烯的能带隙,促进了石墨烯在电子器件领域的应用。

      多孔石墨烯的制备方法主要包括光刻法、催化刻蚀法、化学气相沉积法、湿法刻蚀、碳热还原法、溶剂热法和自由基攻击法。多孔石墨烯优异的特性使其在能源储存与转换材料(锂离子电池、超级电容器、燃料电池等)、DNA分子检测、化学传感器、场效应晶体管、分子筛和海水淡化等领域具有非常广阔的应用前景。


1、氮掺杂多孔石墨烯应用于稀土分离

     最近,中国科学院兰州化学物理研究所与微纳分析课题组开发出一种多重限域的一步可控合成掺杂方法,制备出对稀土离子具有高分离选择性的氮掺杂纳孔石墨烯膜。该研究在吸附了苯丙氨酸的氧化石墨烯膜的二维层间空间限域生长层状锌类水滑石,从而构建类水滑石/苯丙氨酸/氧化石墨烯三明治型复合材料。由于锌类水滑石层间夹层可作为密闭反应器,通过限域燃烧,可将苯丙氨酸中的氮原子掺杂到石墨烯晶格中。同时,形成的多孔锌类水滑石可作为模板,通过孔区域内限域燃烧在氧化石墨烯上蚀刻出孔径可控的纳米孔。


2、三维多孔石墨烯在高倍率超级电容器中的应用

      石墨烯作为一种超级电容器的电极材料,表现出了良好的导电性、机械稳定性及优异的功率密度,但是石墨烯片层之间的π-π作用力容易导致碳碳层间堆叠,不利于电解液的浸润与电子传输。因此,赋予石墨烯三维和多孔结构是一种有效的优化途径。一方面,高比表面积及可调控的孔结构可以保持电极材料的容量; 另一方面,有效的孔道结构及良好的导电性可以有效改善电极材料的倍率性能。


3、多孔石墨烯渗氦仿真研究

      多孔石墨烯膜具有渗透率易于调节、稳定性好等特点,可以实现可控纳米渗透元件来作为真空检漏中的标准漏孔材料。文章采用MD模拟进行单层多孔石墨烯渗氦仿真,得到不同方向、大小、形状多孔石墨烯渗氦参数。仿真模拟表明:各方向上石墨烯缺陷缺失碳环数和渗氦率近似可呈线性关系,且各项斜率近似相等;石墨烯缺陷缺失碳环数较少时,不同形状石墨烯缺陷的渗氦率相近,缺陷缺失碳环数较多时需通过对势垒降低的计算和模拟得到渗透增量,进而利用小孔渗透率可以推算大孔渗透率。仿真结果表明多孔石墨烯作为标准漏孔渗透材料的可控性,对渗透实验具有指导意义。



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