高分子填充石墨烯材料

Graphene is a teo-diemensional conjugated polymer material with wide applications in energy, sensor and catalysis, etc. However, graphene is difficult to be processed and easy to aggregate, strongly reducing its properties and functions. Thus, graphene usually has to be blended with polymers to form composites for practical applications. the graphen composites reported previously usually have polymers as their main components, graphene is only a filler; thus, its inherent properties are greatly reduced. In this progect, we desire to blend polymers into graphene at monolayer or sub-monolayer level, obtaining unform polymer filled graphene materials with polymer contents less than 5 wt%. the uniqueness of PFG materials is that they can nearly keep the inherent structure and excellent properties of graphene, and also can enhance its mechanical properties (especially its toughness) for 2-10 times. We will develop a variety of new processing techniques such as blending by self-assembly of hybrid building blocks and gel-film transition for controlling the the compositions, composition distributions and microstructures of composites. The specific surface areas or interfacial areas of the composites will also be maximized. The establishment and implementation of this project will produce graphene materials with excellent mechanical and electrical properties. It will also provide solid theoretical, material and technical supports for fabricating flexible, robust, cheap and high-performance energy storage devices, sensors and electroctalysts.

石墨烯是一种二维共轭高分子材料，在能源、传感、催化等领域有着广泛的应用。这类材料的不易加工性和易于团聚特性大大降低了其性能。因此，石墨烯在实际应用时常常需要与其它高分子复合。已有的石墨烯/高分子复合材料中一般高分子是主要成分，石墨烯仅是少量填料，从而其本征性能被严重削弱。本项目提出将高分子在单分子或亚分子层水平复合到石墨烯中,获得高分子含量<5 wt% 的高分子填充的石墨烯材料。其特点是基本保持石墨烯的本征结构与性能，同时能将石墨烯材料的力学性能（特别是韧性）提高2-10倍。建立系列石墨烯/高分子组装复合以及从凝胶到薄膜的加工新技术以控制高分子填充石墨烯的组成,组成分布与微结构，最大限度地增加复合材料的比表面积或界面积。该项目的确立与实施，有望制备出力学、电学性能优异的石墨烯材料，并能为研制柔性、耐用、且廉价的高性能石墨烯基储能器件，传感器件和新型电化学催化剂提供理论、材料和技术基础。

石墨烯材料的不易加工性和易于团聚特性大大降低了其使用性能。因此，石墨烯在实际应用时常常需要与其它高分子复合。已有的石墨烯/高分子复合材料中一般高分子是主要成分，石墨烯仅是少量填料，从而其本征性能被严重削弱。本项目的研究内容与目标是将高分子在分子或亚分子层水平复合到石墨烯中,获得低高分子含量的高分子填充石墨烯材料。既保持石墨烯的本征结构与性能，同时能大大提高石墨烯材料的力学性能（特别是韧性）。研究包括建立系列石墨烯/高分子组装复合以及从凝胶到薄膜的加工新技术以控制高分子填充石墨烯的组成,组成分布与微结构，最大限度地增加复合材料的比表面积或界面积。制备出力学、电学性能优异的石墨烯材料，并能为研制柔性、耐用、且廉价的高性能石墨烯基储能器件等提供理论、材料和技术基础。.自2015年立项以来，围绕项目研究计划和研究目标,主要开展了石墨烯的结构控制制备，高分子填充石墨烯复合薄膜和三维多孔组装体材料的制备以及在能源领域的应用等方面的研究。主要进展包括：开发了高产率制备氧化石墨烯以及控制氧化石墨烯缺陷密度、官能团种类和尺寸的有效方法, 建立了对氧化石墨烯片尺寸分离的多孔膜过滤方法；在分子水平实现了高强度、高导电高分子填充石墨烯复合薄膜的制备,获得高分子含量<5 wt%的高分子填充石墨烯材料，同时将石墨烯材料的力学性能（特别是韧性）提高2-10倍。建立了系列石墨烯/高分子组装复合方法，以及从凝胶到薄膜的加工方法，发展了高分子辅助定向冷冻、水热还原组装、激光辐照还原技术，得到微结构取向高度一致的三维结构多孔石墨烯材料，探索了其在高性能石墨烯基储能器件，传感器件和新型电化学催化等方面的应用。共发表研究SCI论文118篇, 其中影响因子超过10的SCI论文40篇，申请专利13项,获得授权专利5项。项目标注研究论文总计被SCI引用4465次，其中他引4087次；项目主要成员石高全教授、李春副教授获得2016年国家自然科学二等奖（排名分别为：1/5、3/5）。