三維石墨烯體相材料的制備及其性能研究
制備在宏觀尺度上具備二維單片石墨烯的獨特本征性質的石墨 烯三維體相材料是材料學研究中兼具學術價值和實用意義的重大挑 戰。本項目制備得到了一種三維石墨烯宏觀體相材料,其由大量獨立 且懸空的二維石墨烯單元通過片層邊緣的化學鍵構筑而成。該材料具 有良好的機械性能,在常溫可見光下作用下具有電子發射能力,在瓦 特功率級別的可見波段激光或聚焦的太陽光照射下,厘米尺寸的此石 墨烯材料樣品可以在真空條件下實現有效的直接光驅動,此現象為國 內外所首次觀察及報道,為石墨烯帶來了一種激動人心的潛在應用價 值。上述材料的制備及相關性能研究還可為石墨烯在催化,能源轉換 與存儲等領域的應用提供材料支持與相關理論支撐。 項目特色: 1.制備了基于二維石墨烯單元通過片層邊緣的化學鍵構筑而成 三維石墨烯體相材料,該材料不僅保留了二維石墨烯材料的本征性質, 而且具備優良的機械及光電性能。 2. 在國內外首次觀察到厘米級尺寸的裸眼可見的宏觀石墨烯樣 品,只依靠瓦特級別的光作為單一驅動源,即可實現較大距離(數十厘 米)的有效的運動,并提出了光致電子發射驅動的機理解釋上述三維 石墨烯體相材料獨特的光驅動, 3. 上述材料的制備與性能研究揭示通過有效合理的結構構筑手 段,能夠得到以二維石墨烯作為構成單元,并有效保留其獨特二維性 質和兼具三維宏觀形態的石墨烯體相材料,此項研究為其它二維材料 的開展類似工作并拓展其應用提供了范例和思路。已取得的成果: 項目的標志性研究結果于 2015 年 6 月在線發表于 Nature Photonics,并于 2015 年 7 月正式發表(Nature Photonics, 2015, 9, 471- 476)。雜志同期以“Two-dimensional materials: Lift off for graphene” 發表了專題評論。英國著名科普雜志 New Scientist 以“Spacecraft built from graphene could run on nothing but sunlight”為題報道了此研究, 指出該成果“再為石墨烯這種優良材料增添了一種驚人的性能”。國 內主要媒體包括人民日報、光明日報、新華網以及多家門戶網站等均 對此研究進行了報道,中央電視臺《新聞聯播》欄目于 2015 年 6 月 21 日也對此進行了報道。 市場應用前景: 空間飛行器是人類探索宇宙的重要工具,而動力源問題一直羈絆 著人類無法走得更遠。目前幾乎所有的航空、航天飛行均采用化學驅 動,即通過噴射燃燒的化學物質來獲得驅動力,光直接驅動飛行是科 學界和航空界多年的夢想。
南開大學
2021-04-13