层间共价增强石墨烯材料的构筑、性能与应用

梁涛 王斌

引用本文: 梁涛, 王斌. 层间共价增强石墨烯材料的构筑、性能与应用[J]. 物理化学学报, 2022, 38(1): 201105. doi: 10.3866/PKU.WHXB202011059 shu
Citation:  Tao Liang, Bin Wang. Interlayer Covalently Enhanced Graphene Materials: Construction, Properties, and Applications[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(1): 201105. doi: 10.3866/PKU.WHXB202011059 shu

层间共价增强石墨烯材料的构筑、性能与应用

    作者简介:
    王斌,1986年出生。2014年获国家纳米科学中心博士学位; 现为国家纳米科学中心研究员、博士生导师。主要研究方向为石墨烯等二维材料的力学和电化学性质性能应用;
    通讯作者: 王斌, wangb@nanoctr.cn
摘要: 大批量石墨烯可控制备技术的逐渐成熟为实现其宏观组装和应用提供了基础。在众多的组装策略中,调节石墨烯层间的界面相互作用可以直接影响组装体的力学、电学、热学以及渗透等性质,具有重要的意义。石墨烯片层间以共价键连接的层间共价石墨烯材料以其可调的层间距、较强的层间作用力、丰富的功能化、以及可能的原子构型重排等特性,受到了广泛的关注和深入的研究。相比于其他非共价的键合手段,共价连接是一种更为牢固的枢纽。本文中我们将总结讨论层间共价石墨烯材料的构筑方法、性能以及应用。在构筑方法中,依据石墨烯本身的制备方法分为氧化还原法以及化学气相沉积法,而在氧化还原法中,以其宏观材料的形貌分为纸状和纤维状来讨论。接着,我们重点介绍了层间共价对其力学和电学性能的影响,并概述了此类宏观组装体材料的应用。层间共价石墨烯材料继承了石墨烯自身优异的特性,同时也具有宏观组装所赋予的性能,有望在多个领域得到广泛的应用。

English

    1. [1]

      Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. Science 2004, 306, 666. doi: 10.1126/science.1102896

    2. [2]

      Lee, C.; Wei, X.; Kysar, J. W.; Hone, J. Science 2008, 321, 382. doi: 10.1126/science.1156211

    3. [3]

      Stoller, M. D.; Park, S.; Zhu, Y.; An, J.; Ruoff, R. S. Nano Lett. 2008, 8, 3498. doi: 10.1021/nl802558y

    4. [4]

      Balandin, A. A.; Ghosh, S.; Bao, W.; Calizo, I.; Teweldebrhan, D.; Miao, F.; Lau, C. N. Nano Lett. 2008, 8, 902. doi: 10.1021/nl0731872

    5. [5]

      Hummers, W. S.; Offeman, R. E. J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 1339. doi: 10.1021/ja01539a017

    6. [6]

      Paton, K. R.; Varrla, E.; Backes, C.; Smith, R. J.; Khan, U.; O'Neill, A.; Boland, C.; Lotya, M.; Istrate, O. M.; King, P.; et al. Nature Mater. 2014, 13, 624. doi: 10.1038/nmat3944

    7. [7]

      Li, X.; Cai, W.; An, J.; Kim, S.; Nah, J.; Yang, D.; Piner, R.; Velamakanni, A.; Jung, I.; Tutuc, E.; et al. Science 2009, 324, 1312. doi: 10.1126/science.1171245

    8. [8]

      Liang, T.; Kong, Y.; Chen, H.; Xu, M. Chin. J. Chem. 2016, 34, 32. doi: 10.1002/cjoc.201500429

    9. [9]

      Lin, Y. -M.; Dimitrakopoulos, C.; Jenkins, K. A.; Farmer, D. B.; Chiu, H. -Y.; Grill, A.; Avouris, P. Science 2010, 327, 662. doi: 10.1126/science.1184289

    10. [10]

      Zhang, Y.; Gong, S.; Zhang, Q.; Ming, P.; Wan, S.; Peng, J.; Jiang, L.; Cheng, Q. Chem. Soc. Rev. 2016, 45, 2378. doi: 10.1039/C5CS00258C

    11. [11]

      Pan, L.; Liu, Y.; Zhong, M.; Xie, X. Small 2020, 16, 1902779. doi: 10.1002/smll.201902779

    12. [12]

      Rao, C. N. R.; Pramoda, K.; Kumar, R. Chem. Commun. 2017, 53, 10093. doi: 10.1039/C7CC05390H

    13. [13]

      Shehzad, K.; Xu, Y.; Gao, C.; Duan, X. Chem. Soc. Rev. 2016, 45, 5541. doi: 10.1039/C6CS00218H

    14. [14]

      Cong, H. -P.; Chen, J. -F.; Yu, S. -H. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 7295. doi: 10.1039/C4CS00181H

    15. [15]

      Georgakilas, V.; Tiwari, J. N.; Kemp, K. C.; Perman, J. A.; Bourlinos, A. B.; Kim, K. S.; Zboril, R. Chem. Rev. 2016, 116, 5464. doi: 10.1021/acs.chemrev.5b00620

    16. [16]

      Dikin, D. A.; Stankovich, S.; Zimney, E. J.; Piner, R. D.; Dommett, G. H. B.; Evmenenko, G.; Nguyen, S. T.; Ruoff, R. S. Nature 2007, 448, 457. doi: 10.1038/nature06016

    17. [17]

      Gao, Y.; Liu, L. -Q.; Zu, S. -Z.; Peng, K.; Zhou, D.; Han, B. -H.; Zhang, Z. ACS Nano 2011, 5, 2134. doi: 10.1021/nn103331x

    18. [18]

      Cao, C.; Daly, M.; Chen, B.; Howe, J. Y.; Singh, C. V.; Filleter, T.; Sun, Y. Nano Lett. 2015, 15, 6528. doi: 10.1021/acs.nanolett.5b02173

    19. [19]

      Park, S.; Dikin, D. A.; Nguyen, S. T.; Ruoff, R. S. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 15801. doi: 10.1021/jp907613s

    20. [20]

      An, Z.; Compton, O. C.; Putz, K. W.; Brinson, L. C.; Nguyen, S. T. Adv. Mater. 2011, 23, 3842. doi: 10.1002/adma.201101544

    21. [21]

      Tian, Y.; Cao, Y.; Wang, Y.; Yang, W.; Feng, J. Adv. Mater. 2013, 25, 2980. doi: 10.1002/adma.201300118

    22. [22]

      Compton, O. C.; Dikin, D. A.; Putz, K. W.; Brinson, L. C.; Nguyen, S. T. Adv. Mater. 2010, 22, 892. doi: 10.1002/adma.200902069

    23. [23]

      Bourlinos, A. B.; Gournis, D.; Petridis, D.; Szabó, T.; Szeri, A.; Dékány, I. Langmuir 2003, 19, 6050. doi: 10.1021/la026525h

    24. [24]

      Matsuo, Y.; Watanabe, K.; Fukutsuka, T.; Sugie, Y. Carbon 2003, 41, 1545. doi: 10.1016/S0008-6223(03)00079-4

    25. [25]

      Matsuo, Y.; Miyabe, T.; Fukutsuka, T.; Sugie, Y. Carbon 2007, 45, 1005. doi: 10.1016/j.carbon.2006.12.023

    26. [26]

      Chen, H.; Müller, M. B.; Gilmore, K. J.; Wallace, G. G.; Li, D. Adv. Mater. 2008, 20, 3557. doi: 10.1002/adma.200800757

    27. [27]

      Wan, S.; Li, Y.; Mu, J.; Aliev, A. E.; Fang, S.; Kotov, N. A.; Jiang, L.; Cheng, Q.; Baughman, R. H. Proc. Natl. Acad. Sci. 2018, 115, 5359. doi: 10.1073/pnas.1719111115

    28. [28]

      Xu, Z.; Gao, C. Nat. Commun. 2011, 2, 571. doi: 10.1038/ncomms1583

    29. [29]

      Xu, Z.; Sun, H.; Zhao, X.; Gao, C. Adv. Mater. 2013, 25, 188. doi: 10.1002/adma.201203448

    30. [30]

      Xu, Z.; Gao, C. Acc. Chem. Res. 2014, 47, 1267. doi: 10.1021/ar4002813

    31. [31]

      Xu, Z.; Liu, Y.; Zhao, X.; Peng, L.; Sun, H.; Xu, Y.; Ren, X.; Jin, C.; Xu, P.; Wang, M.; et al. Adv. Mater. 2016, 28, 6449. doi: 10.1002/adma.201506426

    32. [32]

      Huang, G.; Hou, C.; Shao, Y.; Wang, H.; Zhang, Q.; Li, Y.; Zhu, M. Sci. Rep. 2015, 4, 4248. doi: 10.1038/srep04248

    33. [33]

      Xu, Z.; Liu, Z.; Sun, H.; Gao, C. Adv. Mater. 2013, 25, 3249. doi: 10.1002/adma.201300774

    34. [34]

      Kou, L.; Gao, C. Nanoscale 2013, 5, 4370. doi: 10.1039/c3nr00455d

    35. [35]

      Liu, Z.; Xu, Z.; Hu, X.; Gao, C. Macromolecules 2013, 46, 6931. doi: 10.1021/ma400681v

    36. [36]

      Zhao, X.; Xu, Z.; Zheng, B.; Gao, C. Sci. Rep. 2013, 3, 3164. doi: 10.1038/srep03164

    37. [37]

      Li, M.; Zhang, X.; Wang, X.; Ru, Y.; Qiao, J. Nano Lett. 2016, 16, 6511. doi: 10.1021/acs.nanolett.6b03108

    38. [38]

      Zhang, Y.; Li, Y.; Ming, P.; Zhang, Q.; Liu, T.; Jiang, L.; Cheng, Q. Adv. Mater. 2016, 28, 2834. doi: 10.1002/adma.201506074

    39. [39]

      Liang, T.; Luan, C.; Chen, H.; Xu, M. Nanoscale 2017, 9, 3719. doi: 10.1039/C7NR00188F

    40. [40]

      Habib, M. R.; Liang, T.; Yu, X.; Pi, X.; Liu, Y.; Xu, M. Rep. Prog. Phys. 2018, 81, 036501. doi: 10.1088/1361-6633/aa9bbf

    41. [41]

      Liang, T.; Habib, M. R.; Kong, Y.; Cai, Y.; Chen, H.; Fujita, D.; Lin, C. -T.; Liu, Y.; Yu, C.; Su, H.; et al. Carbon 2019, 147, 120. doi: 10.1016/j.carbon.2019.02.075

    42. [42]

      Odkhuu, D.; Shin, D.; Ruoff, R. S.; Park, N. Sci. Rep. 2013, 3, 3276. doi: 10.1038/srep03276

    43. [43]

      Barboza, A. P. M.; Guimaraes, M. H. D.; Massote, D. V. P.; Campos, L. C.; Barbosa Neto, N. M.; Cancado, L. G.; Lacerda, R. G.; Chacham, H.; Mazzoni, M. S. C.; Neves, B. R. A. Adv. Mater. 2011, 23, 3014. doi: 10.1002/adma.201101061

    44. [44]

      Martins, L. G. P.; Matos, M. J. S.; Paschoal, A. R.; Freire, P. T. C.; Andrade, N. F.; Aguiar, A. L.; Kong, J.; Neves, B. R. A.; de Oliveira, A. B.; Mazzoni, M. S. C.; et al. Nat. Commun. 2017, 8, 96. doi: 10.1038/s41467-017-00149-8

    45. [45]

      Chernozatonskii, L. A.; Sorokin, P. B.; Kvashnin, A. G.; Kvashnin, D. G. JEPT Lett. 2009, 90, 134. doi: 10.1134/S0021364009140112

    46. [46]

      Kvashnin, A. G.; Chernozatonskii, L. A.; Yakobson, B. I.; Sorokin, P. B. Nano Lett. 2014, 14, 676. doi: 10.1021/nl403938g

    47. [47]

      Luo, Z.; Yu, T.; Kim, K.; Ni, Z.; You, Y.; Lim, S.; Shen, Z.; Wang, S.; Lin, J. ACS Nano 2009, 3, 1781. doi: 10.1021/nn900371t

    48. [48]

      Ke, F.; Zhang, L.; Chen, Y.; Yin, K.; Wang, C.; Tzeng, Y. -K.; Lin, Y.; Dong, H.; Liu, Z.; Tse, J. S.; et al. Nano Lett. 2020, 20, 5916. doi: 10.1021/acs.nanolett.0c01872

    49. [49]

      Tao, Z.; Du, J.; Qi, Z.; Ni, K.; Jiang, S.; Zhu, Y. Appl. Phys. Lett. 2020, 116, 133101. doi: 10.1063/1.5135027

    50. [50]

      Gao, Y.; Cao, T.; Cellini, F.; Berger, C.; de Heer, W. A.; Tosatti, E.; Riedo, E.; Bongiorno, A. Nat. Nanotechnol. 2018, 13, 133. doi: 10.1038/s41565-017-0023-9

    51. [51]

      Rajasekaran, S.; Abild-Pedersen, F.; Ogasawara, H.; Nilsson, A.; Kaya, S. Phys. Rev. Lett. 2013, 111, 085503. doi: 10.1103/PhysRevLett.111.085503

    52. [52]

      Bakharev, P. V.; Huang, M.; Saxena, M.; Lee, S. W.; Joo, S. H.; Park, S. O.; Dong, J.; Camacho-Mojica, D. C.; Jin, S.; Kwon, Y.; et al. Nat. Nanotechnol. 2020, 15, 59. doi: 10.1038/s41565-019-0582-z

    53. [53]

      Cheng, T.; Liu, Z.; Liu, Z. J. Mater. Chem. C 2020, 8, 13819. doi: 10.1039/D0TC03253K

    54. [54]

      Suk, J. W.; Piner, R. D.; An, J.; Ruoff, R. S. ACS Nano 2010, 4, 6557. doi: 10.1021/nn101781v

    55. [55]

      Cao, C.; Daly, M.; Singh, C. V.; Sun, Y.; Filleter, T. Carbon 2015, 81, 497. doi: 10.1016/j.carbon.2014.09.082

    56. [56]

      Papageorgiou, D. G.; Kinloch, I. A.; Young, R. J. Prog. Mater. Sci. 2017, 90, 75. doi: 10.1016/j.pmatsci.2017.07.004

    57. [57]

      Márquez-Lamas, U.; Martínez-Guerra, E.; Toxqui-Terán, A.; Aguirre-Tostado, F. S.; Lara-Ceniceros, T. E.; Bonilla-Cruz, J. J. Phys. Chem. C 2017, 121, 852. doi: 10.1021/acs.jpcc.6b09961

    58. [58]

      Lee, W.; Lee, J. U.; Jung, B. M.; Byun, J. -H.; Yi, J. -W.; Lee, S. -B.; Kim, B. -S. Carbon 2013, 65, 296. doi: 10.1016/j.carbon.2013.08.029

    59. [59]

      Ma, T.; Gao, H. -L.; Cong, H. -P.; Yao, H. -B.; Wu, L.; Yu, Z. -Y.; Chen, S. -M.; Yu, S. -H. Adv. Mater. 2018, 30, 1706435. doi: 10.1002/adma.201706435

    60. [60]

      Jia, Z.; Wang, Y. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 4405. doi: 10.1039/C4TA06193D

    61. [61]

      Nam, Y. T.; Choi, J.; Kang, K. M.; Kim, D. W.; Jung, H. -T. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 27376. doi: 10.1021/acsami.6b09912

    62. [62]

      Lim, M. -Y.; Choi, Y. -S.; Kim, J.; Kim, K.; Shin, H.; Kim, J. -J.; Shin, D. M.; Lee, J. -C. J. Membr. Sci. 2017, 521, 1. doi: 10.1016/j.memsci.2016.08.067

    63. [63]

      Yoon, S. S.; Lee, K. E.; Cha, H. -J.; Seong, D. G.; Um, M. -K.; Byun, J. -H.; Oh, Y.; Oh, J. H.; Lee, W.; Lee, J. U. Sci. Rep. 2015, 5, 16366. doi: 10.1038/srep16366

    64. [64]

      Gao, H.; Xiao, F.; Ching, C. B.; Duan, H. ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4, 7020. doi: 10.1021/am302280b

    65. [65]

      Ma, Y.; Zheng, Y.; Zhu, Y. Sci. China Mater. 2020, 63, 9. doi: 10.1007/s40843-019-9462-9

    66. [66]

      Zhu, Y.; Ji, H.; Cheng, H. -M.; Ruoff, R. S. Natl. Sci. Rev. 2018, 5, 90. doi: 10.1093/nsr/nwx055

    67. [67]

      Shen, B.; Zhai, W.; Zheng, W. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 4542. doi: 10.1002/adfm.201400079

    68. [68]

      Wang, N.; Samani, M. K.; Li, H.; Dong, L.; Zhang, Z.; Su, P.; Chen, S.; Chen, J.; Huang, S.; Yuan, G.; et al. Small 2018, 14, 1801346. doi: 10.1002/smll.201801346

    69. [69]

      Han, H.; Zhang, Y.; Wang, N.; Samani, M. K.; Ni, Y.; Mijbil, Z. Y.; Edwards, M.; Xiong, S.; Sääskilahti, K.; Murugesan, M.; et al. Nat. Commun. 2016, 7, 11281. doi: 10.1038/ncomms11281

    70. [70]

      Jia, Z.; Wang, Y.; Shi, W.; Wang, J. J. Membr. Sci. 2016, 520, 139. doi: 10.1016/j.memsci.2016.07.042

    71. [71]

      Cao, M. -S.; Wang, X. -X.; Cao, W. -Q.; Yuan, J. J. Mater. Chem. C 2015, 3, 6589. doi: 10.1039/C5TC01354B

    72. [72]

      Song, W. -L.; Fan, L. -Z.; Cao, M. -S.; Lu, M. -M.; Wang, C. -Y.; Wang, J.; Chen, T. -T.; Li, Y.; Hou, Z. -L.; Liu, J.; et al. J. Mater. Chem. C 2014, 2, 5057. doi: 10.1039/C4TC00517A

    73. [73]

      Liu, Y.; Liang, H.; Xu, Z.; Xi, J.; Chen, G.; Gao, W.; Xue, M.; Gao, C. ACS Nano 2017, 11, 4301. doi: 10.1021/acsnano.7b01491

    74. [74]

      Zhang, M.; Huang, L.; Chen, J.; Li, C.; Shi, G. Adv. Mater. 2014, 26, 7588. doi: 10.1002/adma.201403322

    75. [75]

      Lin, X.; Shen, X.; Zheng, Q.; Yousefi, N.; Ye, L.; Mai, Y. -W.; Kim, J. -K. ACS Nano 2012, 6, 10708. doi: 10.1021/nn303904z

    76. [76]

      Cheng, Q.; Wu, M.; Li, M.; Jiang, L.; Tang, Z. Angew. Chem. 2013, 125, 3838. doi: 10.1002/ange.201210166

    77. [77]

      Cui, W.; Li, M.; Liu, J.; Wang, B.; Zhang, C.; Jiang, L.; Cheng, Q. ACS Nano 2014, 8, 9511. doi: 10.1021/nn503755c

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  13
  • 文章访问数:  3543
  • HTML全文浏览量:  742
文章相关
  • 发布日期:  2022-01-15
  • 收稿日期:  2020-11-23
  • 接受日期:  2020-12-14
  • 修回日期:  2020-12-11
  • 网络出版日期:  2020-12-21
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章