記者從中科院合肥研究院獲悉，該院固體物理研究所王振洋研究員課題組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毫米的三維多孔石墨烯晶體膜。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在《碳》(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)模化應(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(jiǎn)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)0.66毫米，合成速率為84平方厘米/秒，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(yáng)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。(作者:吳長(zhǎng)鋒)