超级蒙烯材料:石墨烯家族的新成员

亓月 孙禄钊 刘忠范

引用本文: 亓月, 孙禄钊, 刘忠范. 超级蒙烯材料:石墨烯家族的新成员[J]. 物理化学学报, 2023, 39(10): 230702. doi: 10.3866/PKU.WHXB202307028 shu
Citation:  Yue Qi, Luzhao Sun, Zhongfan Liu. Super Graphene-Skinned Material: A New Member of Graphene Materials Family[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2023, 39(10): 230702. doi: 10.3866/PKU.WHXB202307028 shu

超级蒙烯材料:石墨烯家族的新成员

    通讯作者: 刘忠范, zfliu@pku.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 T2188101

    国家自然科学基金 52272032

摘要: 超级蒙烯材料是石墨烯材料家族的新成员。通过高温生长过程和巧妙的工艺设计,在传统材料表面沉积连续态石墨烯薄膜。借助高性能石墨烯“蒙皮”,赋予传统材料全新的功能,让原子级厚度的石墨烯薄膜搭乘传统材料载体走进市场。不同于石墨烯涂料在材料表面的物理涂敷,这种直接生长的连续态石墨烯“蒙皮”最大程度地保存了石墨烯的本征特性,有着广阔的应用前景。超级蒙烯材料体现了连续态石墨烯薄膜应用的新理念,借助传统材料衬底,解决了超薄石墨烯薄膜的无法自支撑问题,同时回避了金属衬底上薄膜生长的剥离转移难题。由于纳米级到亚微米厚度的石墨烯蒙皮基本上不改变支撑衬底材料的宏观形态,因此超级蒙烯材料具有工艺兼容性强的巨大优势,在不改变现役工程材料加工工艺的前提下发挥其独特的功能,可借力现役工程材料的广阔应用市场,将石墨烯薄膜推向实际应用。超级蒙烯材料可分为蒙烯非金属材料和蒙烯金属材料。按照支撑衬底材料的形态分类,又可细分为蒙烯箔材、蒙烯纤维、蒙烯粉体以及蒙烯泡沫等多种形态,构成琳琅满目的超级蒙烯材料家族。不同形态的超级蒙烯材料进行后加工处理或者与其他材料复合,将进一步丰富超级蒙烯材料家族的内涵。蒙烯玻璃纤维是超级蒙烯材料的典型代表,完美地融合了石墨烯与玻璃纤维的优异性能,已成功用在飞行器的防除冰领域。超级蒙烯材料新概念的提出将有力推动石墨烯与传统材料的融合,为连续态石墨烯薄膜材料的实用化开辟新路,为加快石墨烯材料的产业落地提供新的动力。

English

    1. [1]

      Du, X.; Skachko, I.; Barker, A.; Andrei, E. Y. Nat. Nanotechnol. 2008, 3 (8), 491. doi: 10.1038/nnano.2008.199

    2. [2]

      Balandin, A. A. Nat. Mater. 2011, 10 (8), 569. doi: 10.1038/nmat3064

    3. [3]

      Lee, C. G.; Wei, X. D.; Kysar, J. W.; Hone, J. Science 2008, 321 (5887), 385. doi: 10.1126/science.1157996

    4. [4]

      Nair, R. R.; Blake, P.; Grigorenko, A. N.; Novoselov, K. S.; Booth, T. J.; Stauber, T.; Peres, N. M. R.; Geim, A. K. Science 2008, 320 (5881), 1308. doi: 10.1126/science.1156965

    5. [5]

      Balandin, A. A.; Ghosh, S.; Bao, W.; Calizo, I.; Teweldebrhan, D.; Miao, F.; Lau, C. N. Nano Lett. 2008, 8 (3), 902. doi: 10.1021/nl0731872

    6. [6]

      Fang, B.; Chang, D.; Xu, Z.; Gao, C. Adv. Mater. 2020, 32 (5), 1902664. doi: 10.1002/adma.201902664

    7. [7]

      Chen, L. L.; Liu, Y.; Zhao, Y.; Chen, N.; Qu, L. T. Nanotechnology 2016, 27 (3), 032001. doi: 10.1088/0957-4484/27/3/032001

    8. [8]

      Xu, Z.; Sun, H. Y.; Zhao, X. L.; Gao, C. Adv. Mater. 2013, 25 (2), 188. doi: 10.1002/adma.201203448

    9. [9]

      Jiang, Y. Q.; Guo, F.; Xu, Z.; Gao, W. W.; Gao, C. Nat. Commun. 2019, 10 (1), 4111. doi: 10.1038/s41467-019-11941-z

    10. [10]

      Xin, G. Q.; Yao, T. K.; Sun, H. T.; Scott, S. M.; Shao, D. L.; Wang, G. K.; Lian, J. Science 2015, 349 (6252), 1083. doi: 10.1126/science.aaa6502

    11. [11]

      Xin, G. Q.; Zhu, W. G.; Deng, Y. X.; Cheng, J.; Zhang, L. T.; Chung, A. J.; De, S.; Lian, J. Nat. Nanotechnol. 2019, 14 (2), 168. doi: 10.1038/s41565-018-0330-9

    12. [12]

      Li, X. S.; Cai, W. W.; An, J.; Kim, S.; Nah, J.; Yang, D. X.; Piner, R.; Velamakanni, A.; Jung, I.; Tutuc, E.; et al. Science 2009, 324 (5932), 1312. doi: 10.1126/science.1171245

    13. [13]

      Lin, L.; Deng, B.; Sun, J. Y.; Peng, H. L.; Liu, Z. F. Chem. Rev. 2018, 118 (18), 9281. doi: 10.1021/acs.chemrev.8b00325

    14. [14]

      Zhang, J. C.; Sun, L. Z.; Jia, K. C.; Liu, X. T.; Cheng, T.; Peng, H. L.; Lin, L.; Liu, Z. F. ACS Nano 2020, 14, 10796. doi: 10.1021/acsnano.0c06141

    15. [15]

      Berger, C.; Song, Z.; Li, X.; Wu, X.; Brown, N.; Naud, C.; Mayou, D.; Li, T.; Hass, J.; Marchenkov, A. N.; et al. Science 2006, 312 (5777), 1191. doi: 10.1126/science.1125925

    16. [16]

      Gao, L. B.; Ren, W. C.; Xu, H. L.; Jin, L.; Wang, Z. X.; Ma, T.; Ma, L. P.; Zhang, Z. Y.; Fu, Q.; Peng, L. M. ; et al. Nat. Commun. 2012, 3 (1), 699. doi: 10.1038/ncomms1702

    17. [17]

      Sutter, P. W.; Flege, J.; Sutter, E. A. Nature Mater. 2008, 7 (5), 406. doi: 10.1038/nmat2166

    18. [18]

      Alfonso, R.; Xiaoting, J.; John, H.; Daniel, N.; Hyungbin, S.; Vladimir, B.; Dresselhaus, M. S.; Jing, K. J. N. L. Nano Lett. 2009, 9 (1), 30. doi: 10.1021/nl801827v

    19. [19]

      Liu, X.; Fu, L.; Liu, N.; Gao, T.; Zhang, Y. F.; Liao, L.; Liu, Z. F. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 11976. doi: 10.1021/jp202933u

    20. [20]

      Sun, L. Z.; Yuan, G. W.; Gao, L. B.; Yang, J.; Chhowalla, M.; Gharahcheshmeh, M. H.; Gleason, K. K.; Choi, Y. S.; Hong, B. H.; Liu, Z. F. Nat. Rev. Methods Primers 2021, 1 (1), 5. doi: 10.1038/s43586-020-00005-y

    21. [21]

      程婷, 孙禄钊, 刘志荣, 丁峰, 刘忠范. 物理化学学报, 2021, 37, 2012006. doi: 10.3866/PKU.WHXB202012006Cheng, T.; Sun, L. Z.; Liu, Z. R.; Ding, F.; Liu, Z. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2012006 doi: 10.3866/PKU.WHXB202012006

    22. [22]

      Song, Y. Q.; Zou, W. T.; Lu, Q.; Lin, L.; Liu, Z. F. Small 2021, 17 (48), 2007600. doi: 10.1002/smll.202007600

    23. [23]

      Ferreira, J. P. J. G.; Branco, F. A. B. Exp. Tech. 2007, 31 (3), 64. doi: 10.1111/j.1747-1567.2007.00153.x

    24. [24]

      Ou, Y.; Zhu, D.; Zhang, H.; Huang, L.; Yao, Y. M.; Li, G. S.; Mobasher, B. Polymers 2016, 8 (5), 196. doi: 10.3390/polym8050196

    25. [25]

      Guo, J. Y.; Zhao, Y. M.; Wu, C. J.; Li, W. J.; Yang, J. Y.; Zhang, L. J.; Su, L. J. Mater. Rep. 2020, 34 (24), 24019. doi: 10.11896/cldb.19070145

    26. [26]

      Chen, Z. L.; Qi, Y.; Chen, X. D.; Zhang, Y. F.; Liu, Z. F. Adv. Mater. 2019, 31 (9), 1803639. doi: 10.1002/adma.201803639

    27. [27]

      Köhler, C.; Hajnal, Z.; Deák, P.; Frauenheim, T.; Suhai, S. Phys. Rev. B 2001, 64 (8), 085333. doi: 10.1103/PhysRevB.64.085333

    28. [28]

      Chen, K.; Zhou, X.; Cheng, X.; Qiao, R.; Cheng, Y.; Liu, C.; Xie, Y.; Yu, W.; Yao, F.; Sun, Z.; et al. Nat. Photonics 2019, 13 (11), 754. doi: 10.1038/s41566-019-0492-5

    29. [29]

      Cheng, Y.; Yu, W. T.; Xie, J.; Wang, R. Y.; Cui, G.; Cheng, X.; Li, M. W.; Wang, K.; Li, J. L.; Sun, Z. P.; et al. ACS Photonics 2022, 9 (3), 961. doi: 10.1021/acsphotonics.1c01823

    30. [30]

      Sun, J.; Chen, Y.; Priydarshi, M. K.; Chen, Z.; Bachmatiuk, A.; Zou, Z.; Chen, Z.; Song, X.; Gao, Y.; Rümmeli, M. H.; et al. Nano Lett. 2015, 15 (9), 5846. doi: 10.1021/acs.nanolett.5b01936

    31. [31]

      Sun, J. Y.; Chen, Z. L.; Yuan, L.; Chen, Y. B.; Ning, J.; Liu, S. W.; Ma, D. L.; Song, X. J.; Priydarshi, M. K.; Bachmatiuk, A.; et al. ACS Nano 2016, 10 (12), 11136. doi: 10.1021/acsnano.6b06066

    32. [32]

      程熠, 王坤, 亓月, 刘忠范. 物理化学学报, 2022, 38 (2), 2006046. doi: 10.3866/PKU.WHXB202006046Cheng, Y.; Wang, K.; Qi, Y.; Liu, Z. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38 (2), 2006046 doi: 10.3866/PKU.WHXB202006046

    33. [33]

      Cui, G.; Cheng, Y.; Liu, C.; Huang, K. W.; Li, J. L.; Wang, P. X.; Duan, X. J.; Chen, K.; Liu, K. H.; Liu, Z. F. ACS Nano 2020, 14 (5), 5938. doi: 10.1021/acsnano.0c01298

    34. [34]

      Xie, Y. D.; Liu, S.; Huang, K. W.; Chen, B. B.; Shi, P. C.; Chen, Z. L.; Liu, B. Z.; Liu, K. H.; Wu, Z. Q.; Chen, K.; et al. Adv. Mater. 2022, 34 (30), 2202982. doi: 10.1002/adma.202202982

    35. [35]

      Yuan, H.; Liu, R. J.; Cheng, S. T.; Li, W. J.; Ma, M. Y.; Huang, K. W.; Li, J. L.; Cheng, Y.; Wang, K.; Yang, Y. Y.; et al. Adv. Mater. 2023, 35 (18), 2209897. doi: 10.1002/adma.202209897

    36. [36]

      Liu, R. J.; Yuan, H.; Li, J. L.; Huang, K. W.; Wang, K.; Cheng, Y.; Cheng, S. T.; Li, W. J.; Jiang, J.; Tu, C.; et al. Small Methods 2022, 6 (7), e2200499. doi: 10.1002/smtd.202200499

    37. [37]

      Yuan, H.; Zhang, H.; Huang, K. W.; Cheng, Y.; Wang, K.; Cheng, S. T.; Li, W. J.; Jiang, J.; Li, J. L.; Tu, C.; et al. ACS nano 2022, 16 (2), 2577. doi: 10.1021/acsnano.1c09269

    38. [38]

      Chen, Y. B.; Sun, J. Y.; Gao, J. F.; Du, F.; Han, Q.; Nie, Y. F.; Chen, Z. L.; Bachmatiuk, A.; Priydarshi, M. K.; Ma, D. L.; et al. Adv. Mater. 2015, 27 (47), 7839. doi: 10.1002/adma.201504229

    39. [39]

      Chen, X. D.; Chen, Z.; Jiang, W. S.; Zhang, C.; Sun, J.; Wang, H.; Xin, W.; Lin, L.; Priydarshi, M. K.; Yang, H.; et al. Adv. Mater. 2017, 29 (1), 1603428. doi: 10.1002/adma.201603428

    40. [40]

      Chen, Z. L.; Xie, C. Y.; Wang, W. D.; Zhao, J. P.; Liu, B. Y.; Shan, J. Y.; Wang, X. Y.; Hong, M.; Lin, L.; Huang, L.; et al. Sci. Adv. 2021, 7 (47), eabk0115. doi: 10.1126/sciadv.abk0115

    41. [41]

      Li, Q. C.; Zhao, Z. F.; Yan, B. M.; Song, X. J.; Zhang, Z. P.; Li, J.; Wu, X. S.; Bian, Z. Q.; Zou, X. L.; Zhang, Y. F.; et al. Adv. Mater. 2017, 29 (32), 1701325. doi: 10.1002/adma.201701325

    42. [42]

      Rummeli, M. H.; Bachmatiuk, A.; Scott, A.; Borrnert, F.; Warner, J. H.; Hoffman, V.; Lin, J. H.; Cuniberti, G.; Buchner, B. ACS Nano 2010, 4 (7), 4206. doi: 10.1021/nn100971s

    43. [43]

      Sun, L. Z.; Chen, B. H.; Wang, W. D.; Li, Y. L. Z.; Zeng, X. Z.; Liu, H. Y.; Liang, Y.; Zhao, Z. Y.; Cai, A. l.; Zhang, R.; et al. ACS Nano 2022, 16 (1), 285. doi: 10.1021/acsnano.1c06285

    44. [44]

      Jiang, Y. X.; Lou, H. F.; Xie, H. F.; Li, T. J.; Song, K. X.; Liu, X. F.; Yun, X. B.; Wang, H.; Xiao, Z.; Li, Z. Chin. J. Eng. Sci. 2020, 22 (5), 084. doi: 10.15302/j-sscae-2020.05.015

    45. [45]

      Yang, M.; Liu, Y.; Fan, T. X.; Zhang, D. Prog. Mater. Sci. 2020, 110, 100652. doi: 10.1016/j.pmatsci.2020.100652

    46. [46]

      Cao, M.; Xiong, D. B.; Yang, L.; Li, S. S.; Xie, Y. Q.; Guo, Q.; Li, Z. Q.; Adams, H.; Gu, J. J.; Fan, T. X.; et al. Adv. Funct. Mater. 2019, 29 (17), 1806792. doi: 10.1002/adfm.201806792

    47. [47]

      Kashani, H.; Kim, C.; Rudolf, C.; Perkins, F. K.; Cleveland, E. R.; Kang, W. Adv. Mater. 2021, 33 (51), 2104208. doi: 10.1002/adma.202104208

    48. [48]

      Zhang, X.; Xu, Y. X.; Wang, M. C.; Liu, E. Z.; Zhao, N. Q.; Shi, C. S.; Lin, D.; Zhu, F. L.; He, C. N. Nat. Commun. 2020, 11 (1), 2775. doi: 10.1038/s41467-020-16490-4

    49. [49]

      Tang, Y. L.; Peng, P.; Wang, S. Y.; Liu, Z. H.; Zu, X. T.; Yu, Q. K. Chem. Mater. 2017, 29 (19), 8404. doi: 10.1021/acs.chemmater.7b02958

    50. [50]

      Wang, M. Z.; Tang, M.; Chen, S. L.; Ci, H. N.; Wang, K. X.; Shi, L. R.; Lin, L.; Ren, H. Y.; Shan, J. Y.; Gao, P.; et al. Adv. Mater. 2017, 29 (47), 1703882. doi: 10.1002/adma.201703882

    51. [51]

      Wang, K.; Cheng, S. T.; Hu, Q. M.; Yu, F.; Cheng, Y.; Huang, K. W.; Yuan, H.; Jiang, J.; Li, W. J.; Li, J. L.; et al. Nano Res. 2021, 15 (11), 9727. doi: 10.1007/s12274-021-3953-3

    52. [52]

      Zhang, X.; Shi, C. S.; Liu, E. Z.; He, F.; Ma, L. Y.; Li, Q. Y.; Li, J. J.; Bacsa, W.; Zhao, N. Q.; He, C. N. Nanoscale 2017, 9 (33), 11929. doi: 10.1039/c6nr07335b

    53. [53]

      Chu, K.; Wang, X.; Wang, F.; Li, Y.; Huang, D.; Liu, H.; Ma, W.; Liu, F.; Zhang, H. Carbon 2018, 127, 102. doi: 10.1016/j.carbon.2017.10.099

    54. [54]

      Zhang, Q.; Yi, Z. L.; Liu, Y.; Han, P.; Mei, J. Appl. Surf. Sci. 2021, 541, 148524. doi: 10.1016/j.apsusc.2020.148524

    55. [55]

      Samal, A.; Kushwaha, A. K.; Das, D.; Sahoo, M. R.; Lanzillo, N. A.; Nayak, S. K. Adv. Eng. Mater. 2023, 25 (13), 2201192. doi: 10.1002/adem.202201192

    56. [56]

      Li, Y. L. Z.; Sun, L. Z.; Chang, Z. H.; Liu, H. Y.; Wang, Y. C.; Liang, Y.; Chen, B. H.; Ding, Q. J.; Zhao, Z. Y.; Wang, R. Y.; et al. Adv. Mater. 2020, 32 (29), 2002034. doi: 10.1002/adma.202002034

    57. [57]

      Li, Y. L. Z.; Liu, H. Y.; Chang, Z. H.; Li, H. X.; Wang, S. X.; Lin, L.; Peng, H. L.; Wei, Y. J.; Sun, L. Z.; Liu, Z. F. Adv. Mater. 2022, 34, 2201188. doi: 10.1002/adma.202201188

    58. [58]

      Deng, B.; Pang, Z. Q.; Chen, S. L.; Li, X.; Meng, C. X.; Li, J. Y.; Liu, M. X.; Wu, J. X.; Qi, Y.; Dang, W. H.; et al. ACS Nano 2017, 11 (12), 12337. doi: 10.1021/acsnano.7b06196

    59. [59]

      Wang, M. H.; Huang, M.; Luo, D.; Li, Y. Q.; Choe, M.; Seong, W. K.; Kim, M.; Jin, S.; Wang, M.; Chatterjee, S.; et al. Nature 2021, 596 (7873), 519. doi: 10.1038/s41586-021-03753-3

    60. [60]

      Chen, Z. L.; Guan, B. L.; Chen, X. D.; Zeng, Q.; Lin, L.; Wang, R. Y.; Priydarshi, M. K.; Sun, J. Y.; Zhang, Z. P.; Wei, T. B.; et al. Nano Res. 2016, 9 (10), 3048. doi: 10.1007/s12274-016-1187-6

    61. [61]

      Tang, S. J.; Wang, H. M.; Wang, H. S.; Sun, Q. J.; Zhang, X. Y.; Cong, C. X.; Xie, H.; Liu, X. Y.; Zhou, X. H.; Huang, F. Q.; et al. Nat. Commun. 2015, 6, 6499. doi: 10.1038/ncomms7499

    62. [62]

      Hwang, J.; Kim, M.; Campbell, D.; Alsalman, H. A.; Kwak, J. Y.; Shivaraman, S.; Woll, A. R.; Singh, A. K.; Hennig, R. G.; Gorantla, S.; et al. ACS Nano 2013, 7 (1), 385. doi: 10.1021/nn305486x

    63. [63]

      Ma, Z. T.; Chen, H.; Song, X. F.; Chen, B. H.; Li, Q.; Li, Y. L. Z.; Liu, H. Y.; Jia, K. C.; Huang, S. H. Nano Res. 2022, 15, 9741. doi: 10.1007/s12274-022-4609-7

    64. [64]

      陈恒, 张金灿, 刘晓婷, 刘忠范. 物理化学学报, 2022, 38 (1), 2101053. doi: 10.3866/PKU.WHXB202101053Chen, H.; Zhang, J. C.; Liu, X. T.; Liu, Z. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38 (1), 2101053. doi: 10.3866/PKU.WHXB202101053

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  3
  • 文章访问数:  421
  • HTML全文浏览量:  48
文章相关
  • 发布日期:  2023-10-15
  • 收稿日期:  2023-07-13
  • 接受日期:  2023-07-31
  • 修回日期:  2023-07-30
  • 网络出版日期:  2023-08-07
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