高結(jié)晶石墨烯宏觀體的layer-by-layer共價生長及其表征。

（a）不同銅含量的石墨烯電導(dǎo)率；（b）不同銅含量的石墨烯載流子遷移率和載流子密度。

近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員王振洋團(tuán)隊在高結(jié)晶石墨烯宏觀體的共價生長及其電學(xué)行為調(diào)制方面取得系列進(jìn)展。

石墨烯是具有優(yōu)異力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)性能的二維碳材料。石墨烯的高效制備與宏觀組裝對其規(guī)模應(yīng)用具有重要意義。目前，石墨烯宏觀體的常規(guī)制備方法如液相自組裝、3D打印和催化模板法等，僅能實現(xiàn)石墨烯片層間的非共價弱相互作用連接，導(dǎo)致石墨烯晶體結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，成為限制石墨烯宏觀體電學(xué)性質(zhì)的主要因素。

鑒于此，研究開發(fā)了激光輔助的layer-by-layer共價生長方法來制備高結(jié)晶石墨烯宏觀體。分子動力學(xué)模擬從理論上揭示了它的共價生長機(jī)制。共價生長法使得材料具有連續(xù)的晶體結(jié)構(gòu)，且與非 共價組裝相比，其跨層電導(dǎo)率實現(xiàn)了100倍的提升。該材料有助于解決石墨烯規(guī)模化應(yīng)用面臨的層狀堆垛、晶體質(zhì)量調(diào)控、離子輸運通道、體積效應(yīng)等問題，為石墨烯的儲能電極應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上。

此外，為了解決石墨烯電極中低自由電子濃度導(dǎo)致的電導(dǎo)率不理想的問題，研究將富含自由電子的銅納米粒子引入到材料體系，在Cu與石墨烯界面形成了穩(wěn)定的Cu-C鍵，從而通過電子注入實現(xiàn)了復(fù)合材料超高的導(dǎo)電性能，電導(dǎo)率達(dá)到與純金屬接近的0.37×10⁷ S m^-1， 是純石墨烯的3000倍。研究進(jìn)一步利用X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（XAFS）光譜，結(jié)合密度函數(shù)理論（DFT）模擬揭示了界面結(jié)構(gòu)對電導(dǎo)率的影響，這對石墨烯的電導(dǎo)率調(diào)制以滿足不同應(yīng)用具有重要意義。相關(guān)研究成果發(fā)表在《化學(xué)工程雜志》（Chemical Engineering Journal）上。

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、安徽省科技重大專項和安徽省重點研發(fā)計劃等的支持。