北航程群峰教授团队近年来在高强度石墨烯薄膜方面的研究成果一览

近年来，程群峰教授和他的研究团队主要从事仿生纳米复合材料的研究工作，围绕纳米复合材料的“界面作用及协同效应”这一关键科学问题，取得了一系列研究进展，提出了一种仿生构筑高强、高韧纳米复合材料的普适性策略。

这篇推送关注于程群峰老师研究团队近年来在高强度石墨烯薄膜方面取得的系列进展，共7篇文献其中包括1篇Nature Materials、1篇Nature Communications、2篇PNAS（美国科学院院刊）、1篇Advanced Materials和2篇Matter。

程群峰课题组网站链接：http://chengresearch.net/zh/home-cn/

（一）Nature Materials：高强度可扩展石墨烯片通过冻结拉伸诱导排列

近年来，学术界正致力于在接近室温情况下将石墨烯纳米片通过组装来制备高强度石墨烯薄膜。然而，室温下制备的石墨烯薄膜常会因为石墨烯纳米片之间的无序排列而受挫，这降低了机械性能。虽然平面内拉伸可以减少这种无序排列的情况，但在释放拉伸时会重新出现。

本文在纳米片间使用共价键和π-π键桥接，通过永久冻结拉伸诱导的石墨烯片排列，从而将各向同性的平面强度提高到1.55 GPa，同时具有高的杨氏模量、导电性和屏蔽效率。此外，拉伸桥连的石墨烯片是可缩放的，并且可以使用商业树脂轻易地将其粘结在一起，而不会明显降低性能，这为实际应用奠定了基础。

（二）PNAS：坚固的顺序桥接MXene纳米片

碳化钛（Ti₃C₂T_x）MXene具有出色的导电性和机械性能，在航空航天和柔性电子领域拥有巨大的潜力。然而，将MXene纳米片组装成宏观高性能纳米复合材料仍然具有挑战性，从而限制了MXene的实际应用。

本文通过氢键和离子键的顺序桥接，可以制造出坚固且高导电性的MXene薄膜。离子粘合剂减小了平面间距并增加了MXene纳米片的排列，而氢键粘合剂增大了平面间距并减小了MXene纳米片的排列。氢键和离子粘合剂的结合使用可优化MXene薄膜的韧性、拉伸强度、在潮湿环境中的抗氧化性以及对超声破碎和高频使用的抵抗能力。这些MXene片材的拉伸强度高达436 MPa。电导率和重量归一化屏蔽效率也分别高达2988 S/cm和58929 dB∙cm²/g。通过分子动力学模拟，揭示了这种增韧和强化机理。本文报道的顺序桥接策略为其他高性能MXene纳米复合材料的组装开辟了道路。

（三）Matter综述：高性能石墨烯薄膜的设计原理：界面和排列

石墨烯是迄今为止已知的最坚固、最强和导电性最高的材料，在柔性电子和航空航天领域具有广阔的应用前景。为了实现石墨烯的这一潜力，迫切需要将石墨烯纳米片的优异性能转移到宏观石墨烯薄膜中。Nacre（珍珠层）通过构造丰富的界面相互作用和高度对齐的结构，为将石墨烯纳米片组装成高性能石墨烯薄膜提供了灵感。然而，在组装过程中常会遇到几个难题，包括片间粘合、去皱和石墨烯纳米片的排列，这些问题在先前报道的宏观石墨烯薄膜的描述中是被忽略的。

本综述阐明并比较了宏观石墨烯薄膜的界面体系结构。然后总结了代表性的组装取向策略，并讨论了排列和性质之间的关系。最后，文章提出了观点和未来面临的挑战，并给出了未来如何构造高性能石墨烯薄膜的指导原则。

（四）Nature Communications：超韧的MXene官能化石墨烯片材

还原氧化石墨烯（rGO）纳米材料在便携式电子设备和柔性储能系统中拥有巨大的潜力。但是，rGO纳米片的较差的机械性能和电导率是开发此类设备的限制因素。

本文使用MXene（M）纳米片通过Ti-O-C与还原氧化石墨烯（rGO）形成共价键合，从而获得MrGO片。通过共轭分子（1-氨基py-二琥珀酰亚胺基辛二酸酯，AD）使MrGO片交联。MXene纳米片和AD分子的结合减少了石墨烯片内的空隙并改善了石墨烯片的排列，从而实现了更高的致密度和高韧性。原位拉曼光谱和分子动力学模拟揭示了Ti-O-C共价键、MXene纳米片的滑动和π-π桥接的协同界面相互作用机理。此外，基于该超韧的MXene功能化石墨烯片的超级电容器实现了能量和功率密度的组合，其能量和功率密度对于柔性超级电容器而言是很高的。

（五）PNAS：超韧石墨烯-黑磷薄膜

具有高韧性的石墨烯基薄膜具有许多有前途的应用，特别是在柔性储能和便携式电子设备中。然而，实现这样的高韧性薄膜仍然是一个挑战。用于提高韧性的常规机制是阻止裂纹或塑性变形。

本文报道了一种具有创记录韧性的黑磷（BP）功能化石墨烯薄膜。BP和氧化石墨烯（GO）纳米片之间共价键P-O-C的形成不仅减少了GO膜的空隙，而且提高了GO纳米片的取向度，从而提高了GO膜的致密性。经过共轭分子的进一步化学还原和π-π堆积相互作用后，rGO纳米片的取向度进一步提高，层状石墨烯薄膜中的空隙也进一步减少。然后，进一步提高了所得石墨烯膜的致密性和还原氧化石墨烯纳米片的取向度。研究表明，该石墨烯薄膜的韧性高达〜51.8 MJ/m³，是迄今为止的最高记录。原位拉曼光谱和分子动力学模拟表明，该创记录的韧性可归因于BP纳米片的润滑、P-O-C共价键的协同作用以及所得石墨烯薄膜中的π-π堆积相互作用所致。此外，这种坚韧的黑磷功能化石墨烯薄膜具有高拉伸强度和出色的导电性，还具有很高的环境稳定性和电磁屏蔽性能。此外，基于硬质薄膜的超级电容器表现出高性能和出色的柔韧性。

（六）Matter：通过长链π键桥接的超强石墨烯薄膜

自然界拥有丰富的石墨原料，将天然石墨转换为高性能石墨烯薄膜非常有吸引力。但是，这种转换很难在环境条件下廉价地进行。主要挑战之一是如何设计相邻石墨烯纳米片之间的界面，以将高强度、高韧性和高电导率集成到石墨烯薄膜中

本文报道了一种通过长链π-π键合剂可以将还原氧化石墨烯纳米片桥接成超强、超韧和高导电性的石墨烯薄膜。拉曼频移的应变依赖性和分子动力学模拟共同揭示了这种强化和增韧机理。此外，长链π键桥连给石墨烯纳米片的排列带来了实质性的改善。拉伸强度和韧性分别为1054 MPa和36 MJ/m³，超过了已报道的石墨烯薄膜。同时，电导率达到1192 S/cm，与高温退火石墨烯薄膜相当。这种受生物启发的策略为将二维纳米材料组装成高性能薄膜开辟了一条途径。

（七）Advanced Materials：通过顺序离子和π键桥接形成的坚固、导电、可折叠的石墨烯片

这项工作旨在开发一种廉价的低温工艺，该工艺可制备一种不含聚合物、高强度、高韧性的还原氧化石墨烯（rGO）导电薄膜。为了开发该方法，评估了应用（1）离子键合剂（Cr³⁺）、（2）包含pyr端基的π-π键合剂及（3）其组合以提高rGO薄膜的机械性能和电气性能。当仅使用一种粘合剂时，π-π键粘合剂比离子粘合剂在改善rGO片材的机械性能和电气性能方面要有效得多。但是，连续应用离子键合剂和π-π键合剂可最大程度地提高抗张强度、韧性、在各种腐蚀性溶液中的长期电稳定性以及对抗疲劳和超声溶解的抵抗力。结合使用离子键合剂和π-π键合剂，获得了高拉伸强度（821 MPa）、高韧性（20 MJ/m³）和电导率（416 S/cm），

以及通过将薄膜在超声和机械循环过程中拉伸和折叠，其仍然保持优异的机械和电气性能，这表明在航空航天和柔性电子领域巨大的应用潜力。