ทีม Science Island สร้างความก้าวหน้าครั้งใหม่ในการศึกษาโครงสร้างขนาดมหึมาของกราฟีนที่มีผลึกสูง

เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมนักวิจัย Zhenyang Wang จาก Institute of Solid State, Hefei Institute of Materials Science, Chinese Academy of Sciences ได้สร้างความก้าวหน้าหลายประการในการเจริญเติบโตแบบโควาเลนต์ของกราฟีนมาโครโซมที่มีผลึกสูง และการปรับพฤติกรรมทางไฟฟ้าของพวกมัน และคุณสมบัติที่เกี่ยวข้อง ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Functional Materials และ Chemical Engineering Journal
กราฟีนเป็นวัสดุคาร์บอนสองมิติที่มีคุณสมบัติทางกล ไฟฟ้า ความร้อน และทางแสงที่ดีเยี่ยม การเตรียมที่มีประสิทธิภาพและการประกอบกราฟีนด้วยกล้องจุลทรรศน์มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานขนาดใหญ่ ในปัจจุบัน วิธีการเตรียมแบบดั้งเดิมของกราฟีนมาโครโซม เช่น การประกอบตัวเองในเฟสของเหลว การพิมพ์ 3 มิติ และวิธีเทมเพลตตัวเร่งปฏิกิริยา สามารถรับรู้ถึงการเชื่อมต่อปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอที่ไม่ใช่โควาเลนต์ระหว่างกราฟีนลาเมลลาเท่านั้น ซึ่งนำไปสู่ความไม่ต่อเนื่องของโครงสร้างผลึกกราฟีน และกลายเป็นปัจจัยหลัก การจำกัดคุณสมบัติทางไฟฟ้าของกราฟีนมาโครโซม
จากมุมมองนี้ นักวิจัยได้พัฒนาวิธีการเจริญเติบโตของโควาเลนต์แบบชั้นต่อชั้นโดยใช้เลเซอร์ช่วยเพื่อเตรียมมาโครโซมกราฟีนที่มีผลึกสูงและการจำลองพลวัตของโมเลกุลในทางทฤษฎีเผยให้เห็นกลไกการเติบโตของโควาเลนต์ของมัน วิธีการเจริญเติบโตของโควาเลนต์ทำให้วัสดุมีโครงสร้างผลึกที่ต่อเนื่อง และได้รับการนำไฟฟ้าข้ามชั้นเพิ่มขึ้น 100- เท่าเมื่อเปรียบเทียบกับการประกอบที่ไม่ใช่โควาเลนต์ วัสดุดังกล่าวช่วยแก้ปัญหาการซ้อนชั้น การควบคุมคุณภาพคริสตัล ช่องการขนส่งไอออน ผลกระทบของปริมาตร และปัญหาอื่นๆ ที่กราฟีนต้องเผชิญในวงกว้าง และวางรากฐานสำหรับการใช้งานอิเล็กโทรดกักเก็บพลังงานของกราฟีน ผลการวิจัยที่เกี่ยวข้องได้รับการตีพิมพ์ใน Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater., 2023, DOI: 10.1002/adfm.202305191)
นอกจากนี้ เพื่อแก้ปัญหาการนำไฟฟ้าไม่เพียงพอที่เกิดจากความเข้มข้นของอิเล็กตรอนอิสระต่ำในอิเล็กโทรดกราฟีน นักวิจัยได้แนะนำอนุภาคนาโนทองแดงที่อุดมด้วยอิเล็กตรอนอิสระเข้าสู่ระบบวัสดุ ทำให้เกิดพันธะ Cu-C ที่เสถียรที่ส่วนต่อประสานของ Cu และกราฟีน ด้วยเหตุนี้ จึงทำให้ทราบถึงค่าการนำไฟฟ้าที่สูงเป็นพิเศษของวัสดุคอมโพสิตผ่านการฉีดอิเล็กตรอน โดยมีค่าการนำไฟฟ้าสูงถึง 0.37×107 S m-1 ซึ่งใกล้เคียงกับค่าการนำไฟฟ้าบริสุทธิ์ โลหะ. ค่าการนำไฟฟ้าสูงถึง 0.37×107 S m-1 ซึ่งใกล้เคียงกับค่าการนำไฟฟ้าของโลหะบริสุทธิ์และสูงกว่าค่าการนำไฟฟ้าของกราฟีนบริสุทธิ์ถึง 3000 เท่า สเปกโทรสโกปีโครงสร้างละเอียดการดูดกลืนรังสีเอกซ์ (XAFS) รวมกับการจำลองทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น (DFT) เผยผลของโครงสร้างส่วนต่อประสานต่อค่าการนำไฟฟ้า ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปรับค่าการนำไฟฟ้าของกราฟีนเพื่อตอบสนองการใช้งานที่แตกต่างกัน ผลลัพธ์ถูกตีพิมพ์ในวารสารวิศวกรรมเคมี (Chem.Eng. J., 462, 142319 (2023))
งานข้างต้นได้รับการสนับสนุนจากโครงการวิจัยและพัฒนาที่สำคัญแห่งชาติของจีน มูลนิธิวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติของจีน โครงการหลักวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีประจำมณฑลอานฮุย และโครงการวิจัยและพัฒนาที่สำคัญประจำมณฑลอันฮุย