中科院合肥研究院采用高能电子束直接高效合成宏观厚度三维多孔石墨烯晶体膜

近日，中科院合肥研究院固体所王振洋研究员课题组在宏观厚度三维多孔石墨烯薄膜的大面积制备研究方面取得了新进展。研究人员以高能电子束作为能量源，利用电子束流的高动能和低反射特性，将聚酰亚胺前驱体直接原位诱导转化为厚度高达0.66 mm的三维多孔石墨烯晶体膜。相关研究成果以“E-beam direct synthesis of macroscopic thick 3D porous graphene films”为题发表在Carbon期刊上。

石墨烯由于其特殊的物理与化学特性，被认为是新的战略性材料。近年来，虽然制备手段在不断进步，但是由于二维石墨烯片的团聚倾向，其在规模化应用上依然存在巨大难题。构筑三维多孔结构石墨烯可以有效防止片层重新堆叠，且有利于电解液离子的传输与扩散，在能源材料与器件领域具有重要应用前景。然而，宏观厚度三维多孔石墨烯晶体膜的高效合成仍然是一个挑战。

研究人员发现，利用激光的高瞬时能量可以诱导含碳基质直接碳化形成高结晶质量石墨烯，其在储能器件和电磁波屏蔽等领域性能突出。但是激光对含碳基基质的穿透深度较低，导致所制备的石墨烯膜厚度不足，限制了其在实际器件中的应用。因此，探索更加有效的能量源，是高能束流诱导石墨烯产业化应用所亟需解决的关键难题。

鉴于此，研究人员采用高能电子束流作为新的能量源，在聚酰亚胺前驱体上成功实现了宏观厚度三维多孔石墨烯晶体膜的高效制备。相比于激光，高能电子束具有零反射、高动能、注入效应、聚焦控制简单等诸多优势，使得电子束有望成为比激光更好的能量源，可以快速诱导聚酰亚胺前驱体碳化生成石墨烯。聚酰亚胺中的氢、氧等成分以气体形式迅速溢出，导致石墨烯具有丰富的三维孔隙结构。研究发现，电子束诱导石墨烯（EIG）薄膜的厚度高达0.66mm，合成速率为84 cm2/min，明显优于激光。进一步将EIG应用到超级电容器电极领域，其表现出优异的电化学储电能力。此外，值得一提的是， EIG还具有优秀的光热性能，可以应用到太阳能光热防冰融冰领域，成功实现了低至-40 °C超低温下的防冰除冰。

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图1. (a) 电子束轰击在聚酰亚胺上诱导形成宏观厚度3D多孔石墨烯薄膜的过程；(b) EIG的SEM图像；(c-d) EIG截面的低、高倍率SEM图像；(e-f) EIG的TEM图像和HRTEM图像；(g) EIG和聚酰亚胺薄膜的拉曼光谱（上图）和XRD光谱（下图）的比较。

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图2. EIG电极的电化学特性：(a) 三电极测试系统示意图；(b-c)在不同扫描速率下的CV曲线；(d) 不同电流密度下的GCD曲线； (e) EIG电极的面积比电容（CA）随电流密度变化的曲线；(f) EIS分析。

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图3. (a) EIG材料的电热特性曲线和红外图；(b) EIG在室温下的光热特性曲线和红外图；(c) EIG在低温环境（-40 °C）下的光热性能；(d-e) EIG与聚酰亚胺薄膜的光热除冰性能比较。

上述工作得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、安徽省重点研发计划等项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.06.035

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