刘碧录团队在高质量二维材料的规模化制备及应用方面取得新进展

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二维材料，包括石墨烯、过渡金属硫族化合物、六方氮化硼等，具有独特的结构和物理化学性质，在能源存储与转换、热管理、柔性电子器件、功能复合材料、生物医用等领域有广阔的应用前景。高质量二维材料的大规模可控制备研究是发展其广泛应用的前提，也是材料科学领域的国际前沿课题和研究热点。然而，开发能够制备大尺寸、高质量超薄二维纳米片的高产率普适性剥离方法，仍然具有挑战性。
       发现石墨烯所用的微机械剥离方法，是通过Scotch®胶带制备出质量最高的二维纳米片，但其由于产量低，无法实现规模化制备。值得一提的是，在这个方法中，发挥剥离功能的正是胶带上的粘结型高分子。
       近日，清华大学深圳国际研究生院材料研究院刘碧录团队提出了一种高效的、普适性的胶水辅助研磨剥离法，以粘结型高分子作为力传输剂，通过研磨仪引入剪切力，实现了大尺寸、超薄、高质量二维材料的规模化制备。基于密度泛函理论，模拟计算揭示了剥离制备的成功来源于粘结型高分子与层状材料之间的粘接能大于层状材料的剥离能，因此在外加剪切力的作用下，层状材料发生层间滑移，进一步被剥离成二维材料。胶水辅助研磨剥离法可以用来制备六方氮化硼、石墨烯、二硫化钼、二硫化钨、硒氧化铋、云母、蛭石、蒙脱石等多种二维材料。同时，它在一步法构筑二维材料/高分子复合材料方面具有巨大的应用潜力，制备得到的二维氮化硼纳米片/高分子复合薄膜和二维二硫化钼基催化剂，分别在绝缘导热薄膜和电解水制氢应用中表现出优良的性能。以上研究结果为二维的规模化制备与复合材料应用提供了新思路，相关应用策略有望进一步拓展到其他二维材料及功能型高分子体系中。

图1. 胶水辅助研磨剥离法的机理及示意图

       相关研究成果近期以《胶水辅助研磨剥离法制备大片径二维材料及其在绝缘导热和大电流密度制氢中的应用》（Glue-Assisted Grinding Exfoliation of Large-Size 2D Materials for Insulating Thermal Conduction and Large-Current-Density Hydrogen Evolution）为题在线发表于《今日材料》（Materials Today）上。论文第一作者为清华大学深圳国际研究生院博士后杨柳思，通讯作者为刘碧录副教授。论文作者还包括清华大学深圳国际研究生院成会明教授、邹小龙副教授、丘陵副教授和南方科技大学林君浩副教授，以及清华大学深圳国际研究生院博士王大帅、刘闽苏、余强敏，博士研究生刘鹤鸣、谭隽阳、王婧云，硕士周赫元，硕士研究生王仲玥。该研究由国家自然科学基金委、中国博士后科学基金，以及深圳市科创委、经信委和发改委等部门支持。
        论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.08.009


         文章来源：清华大学
       ，清华大学-伯克利深圳学院特别研究员、博士生导师。2006年本科毕业于中国科技大学材料化学专业， 2012年获中科院金属研究所材料学博士学位。2012年5月至2016年5月，在美国南加州大学电子工程系从事博士后研究，后任研究助理教授，自2016年6月起加入清华大学-伯克利深圳学院低维材料与器件实验室。刘碧录教授的主要研究方向是碳纳米管、二维材料等低维半导体材料的生长机理、可控制备及器件应用。共发表学术论文60余篇，论文被引用8000余次，H因子为40。获得国家基金委优秀青年科学基金（2017年）、“中国科学院院长特别奖”等荣誉与奖励。