近期，中科院合肥研究院固體所王振洋研究員課題組在宏觀厚度三維多孔石墨烯薄膜的大面積制備研究方面取得了新進(jìn)展。研究人員以高能電子束作為能量源，利用電子束流的高動(dòng)能和低反射特性，將聚酰亞胺前驅(qū)體直接原位誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化為厚度高達(dá)0.66 mm的三維多孔石墨烯晶體膜。相關(guān)研究成果以“E-beam direct synthesis of macroscopic thick 3D porous graphene films”為題發(fā)表在Carbon期刊上。

　　石墨烯由于其特殊的物理與化學(xué)特性，被認(rèn)為是新的戰(zhàn)略性材料。近年來，雖然制備手段在不斷進(jìn)步，但是由于二維石墨烯片的團(tuán)聚傾向，其在規(guī)?；瘧?yīng)用上依然存在巨大難題。構(gòu)筑三維多孔結(jié)構(gòu)石墨烯可以有效防止片層重新堆疊，且有利于電解液離子的傳輸與擴(kuò)散，在能源材料與器件領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。然而，宏觀厚度三維多孔石墨烯晶體膜的高效合成仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，利用激光的高瞬時(shí)能量可以誘導(dǎo)含碳基質(zhì)直接碳化形成高結(jié)晶質(zhì)量石墨烯，其在儲(chǔ)能器件和電磁波屏蔽等領(lǐng)域性能突出。但是激光對(duì)含碳基基質(zhì)的穿透深度較低，導(dǎo)致所制備的石墨烯膜厚度不足，限制了其在實(shí)際器件中的應(yīng)用。因此，探索更加有效的能量源，是高能束流誘導(dǎo)石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用所亟需解決的關(guān)鍵難題。

　　鑒于此，研究人員采用高能電子束流作為新的能量源，在聚酰亞胺前驅(qū)體上成功實(shí)現(xiàn)了宏觀厚度三維多孔石墨烯晶體膜的高效制備。相比于激光，高能電子束具有零反射、高動(dòng)能、注入效應(yīng)、聚焦控制簡單等諸多優(yōu)勢(shì)，使得電子束有望成為比激光更好的能量源，可以快速誘導(dǎo)聚酰亞胺前驅(qū)體碳化生成石墨烯。聚酰亞胺中的氫、氧等成分以氣體形式迅速溢出，導(dǎo)致石墨烯具有豐富的三維孔隙結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，電子束誘導(dǎo)石墨烯（EIG）薄膜的厚度高達(dá)0.66mm，合成速率為84 cm²/min，明顯優(yōu)于激光。進(jìn)一步將EIG應(yīng)用到超級(jí)電容器電極領(lǐng)域，其表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)儲(chǔ)電能力。此外，值得一提的是， EIG還具有優(yōu)秀的光熱性能，可以應(yīng)用到太陽能光熱防冰融冰領(lǐng)域，成功實(shí)現(xiàn)了低至-40 °C超低溫下的防冰除冰。

　　上述工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.06.035 

　　圖1. (a) 電子束轟擊在聚酰亞胺上誘導(dǎo)形成宏觀厚度3D多孔石墨烯薄膜的過程；(b) EIG的SEM圖像；(c-d) EIG截面的低、高倍率SEM圖像；(e-f) EIG的TEM圖像和HRTEM圖像；(g) EIG和聚酰亞胺薄膜的拉曼光譜（上圖）和XRD光譜（下圖）的比較。

　　圖2. EIG電極的電化學(xué)特性：(a) 三電極測試系統(tǒng)示意圖；(b-c)在不同掃描速率下的CV曲線；(d) 不同電流密度下的GCD曲線； (e) EIG電極的面積比電容（CA）隨電流密度變化的曲線；(f) EIS分析。

　　圖3. (a) EIG材料的電熱特性曲線和紅外圖；(b) EIG在室溫下的光熱特性曲線和紅外圖；(c) EIG在低溫環(huán)境（？40 °C）下的光熱性能；(d-e) EIG與聚酰亞胺薄膜的光熱除冰性能比較。