【原】具有高导电性和导热性的石墨烯/萘磺酸盐复合膜，用于纳米电子设备的能量存储和热管理 | ACS Appl. Nano Mater

DT_Carbontech 2021-12-02

展开全文

随着5G设备、储能和热管理等现代技术的快速发展，人们迫切需要具有更高导电性和导热性以及更好加工、更轻、更薄等特性的功能材料，这需要确保电子迁移率并避免高内阻以及消除纳米电子器件的废热。目前单一材料很难同时满足上述要求。例如，金属或碳材料(碳纳米管和石墨烯)具有较高的电导率和导热性，但其加工和成型需要在高温下进行或使用昂贵的设备，限制了其规模化生产和应用。聚合物由于其良好的柔韧性和易加工性而被认为是理想的候选材料，但其电导率和/或导热性相对较低。而复合材料由两种或两种以上的组分组成，可以结合组分材料的优点，是开发具有高导电性和导热性的功能材料的重要方向。

通常，复合材料的电学和热学性能在很大程度上受填料及其空间排列和负载水平的影响。在高导电性和热传导性填料中，石墨烯具有固有的超高导电性(108 S m-1) 和高热导率（~5300 W m-1 K-1）以及重量轻的优点，这使其成为有前景的用于制备具有高导电性和导热性的复合材料的候选填料。

尽管石墨烯复合材料的电导率和热导率有了很大的进步，但这些石墨烯复合材料的电导率和热导率分别低于 104 S m-1 和 30 W m-1 K-1，远低于预期值。这是因为填料的负载分数需要低，以保持其在基体中的适当分布和粘度。众所周知，高填充量是获得高导电性和导热性所必需的。尽管石墨烯负载量高时复合材料的导电性较高，但其导热系数仍低于100 W m−1 K−1(即使填料含量达到93 wt %)，仍低于预期。这主要是由于高载荷下石墨烯在基体中的缺陷和空间分布难以优化。因此，探索一种简单有效的制备策略以同时获得具有高导电性和导热性的大规模柔性石墨烯复合材料具有重要意义。

基于此，近日，中国科学院化学研究所马永梅课题组制备了一种具有高导电性和高导热性的石墨烯/萘磺酸盐(GN)复合薄膜。萘磺酸盐(NS，水溶性大π分子)既是剥落剂又是组装单元，不需要洗掉。研究人员首先通过NS直接将石墨(G)剥落成石墨烯，制备出大规模、稳定、均匀的GN水溶液。然后通过逐层(LBL)刮削法将石墨烯分散成GN复合薄膜，这可以为石墨烯在膜中取向提供足够的剪切力和时间。组装的GN复合膜具有优良的电导率(105 S m−1)和热导率(300 W m−1 K−1)。同时，当薄膜厚度仅为25 μm时，复合薄膜的电磁屏蔽性能可达37 dB，可以与之前报道的毫米厚度石墨烯复合材料相媲美。

这一发现为低成本、高效率同时获得高导电性、高导热性石墨烯复合材料提供了新策略，在储能(如电双层电容器)和纳米电子器件的热管理方面具有巨大的应用潜力。

该研究以“Graphene/Naphthalene Sulfonate Composite Films with High Electrical and Thermal Conductivities for Energy Storage and Thermal Management in Nanoscale Electronic Devices”为题，发表在ACS Appl. Nano Mater上。

图1. (a) 均质GN溶液的制备过程和 (b) 通过LBL刮削法制备大面积自支撑GN复合膜的示意图

图2. GN水溶液的表征。(a) GN水溶液规模大、均匀、质量高。(b) GN与原始G的拉曼光谱。拉曼光谱二维峰的放大图。(c) GN的SEM图像。(d) GN的TEM图像和HRTEM 图像。(e) GN的SAED 模式。(f) GN的AFM图像。(g) NS、G和GN的紫外-可见光谱。(h) G和GN的红外光谱。