基于离子扩散诱导层层组装技术的石墨烯涂层可控制备及其性能研究

Graphene coating is one of the most important graphene macroscopic materials, which has great potential applications in many fields. Although many techniques, such as Layer-by-layer assembly, vacuum filtration, spin coating and chemical vapor deposition, are currently applied for fabricating graphene coating, its thickness is still far from practical applications. Therefore, we are proposing an ion diffusion-directed assembly technique for the fabrication of graphene and/or composite coatings with nanoparticles and functional polymers. Firstly, we will start with the fabrication of high-quality monolayer graphene oxide sheets with different size, surface functional group, degree of reduction. Secondly, we will try to study the interaction between the graphene oxide sheets with nanoparticles and/or functional polymers when different ion conditions (type, charge density, concentration) are introduced to trigger their assembly. Finally, we will study the microstructure and properties of the as-prepared graphene coatings, and explore their applications in such as energy storage, anti-corrosion, electromagnetic interference shielding, and electrothermal heater and so on.

石墨烯涂层是一类非常重要的石墨烯宏观组装材料，在许多领域具有广泛的潜在应用。目前通过层层组装法、抽滤法、旋涂法、化学气相沉积法等制备的石墨烯涂层往往较薄，无法满足应用要求。因此，本项目提出通过基于离子扩散诱导的层层组装技术，用于单层氧化石墨烯及其与纳米粒子、功能高分子的共组装，高效制备石墨烯（复合）功能涂层。本项目拟从单层氧化石墨烯性质（尺寸、表面基团、还原程度等）的调控出发，研究在不同诱导离子（种类、电性、浓度等）影响下，石墨烯与纳米粒子、功能高分子等组装基元的相互作用规律和组装机理，进而指导石墨烯（复合）功能涂层的高效、可控制备。在此基础上，研究石墨烯（复合）功能涂层在能源存储、防腐蚀、电磁屏蔽、电热等领域的应用。

石墨烯基涂层及其衍生宏观材料在航天器热管理、电磁屏蔽、防腐蚀、柔性传感器等领域具有广泛的应用，然而其功能的充分发挥常常受到厚度限制。传统的真空抽滤、层层组装、化学气相沉积等方法制备涂层具有效率低，尺寸小等缺点，无法满足应用要求。本项目针对石墨烯基涂层及其衍生宏观材料的快速可控制备及其相关应用探索展开研究。从石墨烯化学出发，实现高质量氧化石墨烯的可控制备。系统研究了氧化石墨烯组装基元固有性质，分散液、组装过程以及后处理工艺等对石墨烯基涂层及其衍生宏观材料结构的影响，并弄清宏观材料的结构和性能之间的构效关系。该组装方法适用于具有多种材质和不同形状的基底，可以快速构筑微米级厚度的石墨烯涂层，且具有自支撑性。此方法还可应用于其他纳米材料，如二维无机纳米片、高分子、纳米溶胶颗粒等的快速组装中，解决了纳米材料宏观组装效率低的关键问题。最终建立石墨烯纳米片在多种基材表面的快速、普适组装方法。具体来说，通过“离子扩散诱导层层组装”方法，实现了石墨烯及其复合功能涂层的快速组装，并探索了其在防腐蚀、电磁屏蔽、电极材料等领域的应用。结合冷冻干燥、溶剂塑化发泡等后处理工艺，获得具有长程取向层状结构的高强度、弹性石墨烯气凝胶。该方法结合湿纺技术，可实现石墨烯复合气凝胶球的低成本、宏量连续制备，可进一步组装成具有复杂形状的大尺寸功能材料。基于层层组装的高弹性气凝胶球的柔性传感器可应用于物形识别、健康检测等三维传感领域。项目执行期间，已发表本项目经费标注的SCI论文共14篇，其中以一作/通讯作者身份发表的有8篇，包括Advanced Functional Materials 1篇，Carbon 3篇等。授权中国发明专利3项，申请中国发明专利1项。获得2021年度浙江省自然科学奖一等奖（第四完成人）。