剑桥大学&曼彻斯特大学《Carbon》：具备独特“石墨烯化”结构的超高导电柔性碳薄膜
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上海卷柔新技术光电有限公司是一家专业研发生产光学仪器及其零配件的高科技企业，公司2005年成立在上海闵行零号湾创业园区，专业的光电镀膜公司，技术背景依托中国科学院，卷柔产品主要涉及光学仪器及其零配件的研发和加工；光学透镜、反射镜、棱镜，平板显示，安防监控等光学镀膜产品的开发和生产，为全球客户提供上等的产品和服务。
碳系列高导电材料，如石墨、石墨烯、碳纳米管、导电碳黑和其他碳基纳米材料，由于其独特的性质和多样的应用前景，被视为未来技术和工业进步的关键要素。在能源存储和转化领域，由于碳材料具有高的导电性、良好的化学稳定性和高的比表面积，它们被广泛用作锂离子电池、超级电容器和燃料电池的电极材料，为实现更高的储能密度和充放电速率提供了可能性。在电磁屏蔽领域，石墨烯和其他碳材料由于其高电导率而被广泛研究，尤其是在要求轻便和高效的情境中。随着材料科学和纳米技术的进步，我们可以期待这些材料在各种应用中的广泛使用和进一步的**。近日，剑桥大学夏添博士等研究人员在国际碳材料**期刊Carbon上发表名为“Graphenization of graphene oxide films for strongly anisotropic thermal conduction and high electromagnetic interference shielding”的突破性研究成果，继基于电化学氧化插层法绿色制备氧化石墨烯导电材料后，**利用明显低于普通石墨化温度的实验条件低成本高效制备了超高导电的柔性薄膜。文中详细阐述了独特的“高温石墨烯化”机理，并利用一系列的纳米结构表征充分验证了该纳米材料平面内无晶格缺陷，面间无伯纳尔型石墨堆叠次序的核心特点。由该纳米材料制备的柔性薄膜具有目前已有研究报导中*高的电磁屏蔽性能 > 70000 dB cm2g-1并可大规模商业化制备，该研究为未来高导电材料的缺陷调控和石墨化机制的深入探索奠定了重要的基础。
图1. 电化学剥离法绿色高效制备超高导电材料及高温缺陷修复。
传统的化学氧化方法，如Hummers’ method，在用于生产氧化石墨烯（GO）时存在环境和**问题，因为它们使用了危险和易爆的化学物质，且容易产生氧化不均匀，产率较低的应用瓶颈。电化学氧化方法解决了这些问题，该研究中使用的两步电化学插层和氧化方法，可用于大规模实生产GO，包括形成**阶段的石墨插层化合物（GIC），以及氧化和剥离**阶段GIC。这种两步法产生的GO产率高，质量好（>90%单层），氧含量合理（17.7 at.%）。此外，所产生的GO可以进一步大幅还原及高温石墨化以得到超高导电性的碳纳米材料。
图2. 电磁屏蔽性能测试分析及与当前文献报导数值对比
通常实现有效的电磁屏蔽可能涉及到增加材料的厚度，但这可能会影响设备的体积、重量和成本。因此，在航空航天或便携式电子产品等场景中，更倾向于使用较薄但性能强大的电磁屏蔽材料。在这方面，该研究中的REGO-2000膜表现出色，具有超高的屏蔽效果及性能厚度比率，优于其他的纳米材料如rGO、CNTs和金属箔。该薄膜仅在5.7微米的厚度下电磁屏蔽就达到了42.4 dB的值，相当于阻挡了99.99%的干扰。随着膜的厚度增加到53微米，其电磁屏蔽效果也增加到了80.3 dB。这种超高的电磁屏蔽性能源于薄膜既有反射又有吸收电磁波的能力，且很大程度上归因于其超高的电导率及独特的纳米结构。
图3. 样品导电导热及力学性能测试。
该报导中的纳米导电薄膜电导率高达175,720 S m−1，导热达218 W m-1 K-1，显著高于由传统化学还原法制备的材料。其高导电特点的形成是因为六边形石墨烯晶格相对完整（缺陷密度较低），且无多余表面官能团。此外，对薄膜的机械柔韧性的测试结果显示该薄膜在经过足够多次数的弯曲后仍具有出色的机械柔韧性。
图4. 球差投射电镜图片。
文中通过修正的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）对该实验样品进行了表征。图(a)和(c)分别展示了从样品中剥离出的单层石墨烯的不同放大倍数的HRTEM图像，图(a)中的插图是相应的快速傅里叶变换（FFT）模式。图(c)和(e)分别展示了从样品中剥离出的旋转的双层石墨烯的HRTEM图像，旋转角度分别为30°和6.5°，插图显示了相应的FFT模式。图(d)和(f)展示了基于β体模型构建的旋转角度为30°和6.5°的双层石墨烯的晶体结构模型。
图5. **性原理计算。
该特定结构形成的机理可以通过**性原理计算来详细阐述。文中基于DFT计算，分析了在低缺陷密度的“REGO”模型和高缺陷密度的“RCGO”模型中空位迁移的阻碍，这揭示了REGO薄膜石墨化的形成机制。简而言之，低缺陷密度的REGO中缺乏层间作用限制了空位的跨平面迁移，从而抑制了c轴配位的恢复；相反，REGO中的空位倾向于在平面内迁移，并在边缘消失，即发生石墨化。与此相反，高缺陷密度的RCGO通过在空位附近的相邻层之间的欠配位碳原子产生强烈的层间相互作用。这些层间的相互作用（例如，本工作中模拟的层间双空位）促使空位的跨平面迁移和合并，从而引发了c轴配位，即普通石墨化。
图6. X射线衍射及拉曼光谱表征
通过XRD和拉曼光谱对样品进行表征。图(a)显示了样品在不同温度下退火的XRD模式，图(b)展示了它们的拉曼光谱。图(c)为*高温度下处理的样品的选定拉曼光谱，其中ID/ID’比值小于1。图(d)是ID/IG比值与2D带的半峰宽(Γ2D)的散点图。图(e)是I2D/IG比值与ID/IG比值的散点图。图(f)是ID/IG比值与ID’/IG比值的散点图，实线区分出了不同的ID/ID’比值区域，这可用于识别薄膜中的缺陷类型。
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上海卷柔新技术光电有限公司是一家专业研发生产光学仪器及其零配件的高科技企业，公司2005年成立在上海闵行零号湾创业园区，专业的光电镀膜公司，技术背景依托中国科学院，卷柔产品主要涉及光学仪器及其零配件的研发和加工；光学透镜、反射镜、棱镜，平板显示，安防监控等光学镀膜产品的开发和生产，为全球客户提供上等的产品和服务。
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