江苏大学《Carbon》综述：激光诱导石墨烯综述-从实验和理论制造工艺到新兴应用

成果简介

多孔石墨烯作为一种新兴的碳纳米材料，具有一系列独特的物理和化学特性，如轻质和高比表面积。这些特性为石墨烯在物理、化学、材料科学、能源和信息科学等领域的广泛应用带来了巨大前景。因此，这一领域的研究和探索已受到全球关注。然而，传统的制备多孔石墨烯和二维平面石墨烯的方法很复杂，获得具有精确石墨烯区域的特定图案是一个挑战。近年来，激光诱导石墨烯（LIG）成为一种前景广阔的技术，它不仅能高效制造石墨烯，还能精确控制图案结构。与传统加工方法相比，该技术大大降低了生产成本。因此，学者们对石墨烯的越来越感兴趣，并努力探索其在能源、信息和环境科学等各个领域的应用。

本文，苏州大学朱浩副教授团队在《Carbon》期刊发表名为“A review of laser-induced graphene: From experimental and theoretical fabrication processes to emerging applications”的综述。系统比较了LIG的不同合成方法，总结分析了激光加工参数、激光类型、前驱体材料、工艺气氛等因素对LIG性能的影响。此外，还通过实验观察和理论模拟讨论了LIG的形成机理，并探讨了微观和原子水平上的结构演化。此外，本文还全面介绍了LIG在广泛领域的应用，包括各种传感器、能源器件、环保技术和太赫兹调制设备。最后，对这种研究技术的未来方向和趋势提供了见解。

图文导读

1. 激光诱导石墨烯

1.1. 制备方法和成型机理

三维多孔石墨烯的高比表面积与出色的化学、物理和电子性能的显著结合引发了对其制造方法的研究热潮。与平面石墨烯不同的三维石墨烯的早期生产方法主要涉及水热法或CVD法，其中石墨烯在高温下生长在多孔基板上，随后通过蚀刻去除虽然这些方法已经成功地产生了三维石墨烯，但它们的局限性是显而易见的。除了复杂的制备过程外，高生长温度还会产生巨大的成本，并对实现对最终产品模式的精确控制提出了挑战。

图1：(a) P 值恒定为 4 W、τ 变化为 60 m s、80 m s 和 100ms时LIG点阵的横截面形貌；(b) 与高斯曲线一致的横截面形貌拟合曲线。(c) 用于激光辐照 PI 薄膜时温度、应力和变形分布数值模拟的三维模型。(d) 在 1 W/60 m s、2 W/60 m s、3 W/60 m s、3 W/100 m s 和 4 W/60 m s 下制作的样品的表面和（e）横截面温度、应力和变形。(g) LIG 点阵形成过程中光束/材料相互作用和气泡生长示意图

1.2. 影响 LIG 的因素

激光诱导石墨烯制备过程中转化机理的阐明无疑为碳材料的激光加工以及三维材料的原位成型提供了全面的理论依据。然而，通过LIG技术获得的石墨烯的形貌、电化学性能和力学特性受多种因素的显著影响，包括激光加工参数、激光类型、加工材料、环境气氛和掺杂剂（元素）。因此，我们将在本小节中介绍各种工艺参数对所制备石墨烯形貌和性能的影响。

2. LIG的应用

大量的研究致力于加强LIG的制备，最终目标是将其应用于各个领域。在本节中，我们将重点介绍LIG的研究进展，重点关注其在传感器，能源器件，环境保护和太赫兹调制器件中的应用。

图2.（A）用于声音感应的基于人工LIG的喉咙。（b）柔性LIG应变传感器和监测脊椎或腰腹的机械。（c）MDS-LIG应变传感器的MDS-LIG应变传感器的制造工艺和机电特性。（d）用于应变和损伤传感的玻璃纤维增强复合材料中的LIG 。

图3.（a）受豆荚启发的柔性和可修复压力传感器的图示。（b）rGO-Cloth/LIG压力传感器的示意图和性能。（c）LIG复合材料的制造和压力传感器的组装及其性能的原理图。（d）CLIG薄膜的制造工艺以及基于CLIG薄膜的应变和压力传感器的特

图4、LIG在储能中的应用。

图5. 应用 LIG 预防空气传播疾病（a-c）和解决水污染或缺水问题（d-f）。(a) 通过焦耳加热进行细菌过滤和杀菌的示意图。(b) 用于灭活病毒的LIG涂层口罩；(c) 等离子体和超疏水自净化N95口罩；(d) LIG 的抗菌和抗生物膜特性。(e) LIG 复合膜的防污和抗菌图及其特性；(f) 基于 LIG 的蒸发器的蒸发率和光热转换效率。

小结

本文简要概述了传统的石墨烯制备方法，如外延生长、CVD、化学剥离和氧化还原技术。然而，重点主要集中在LIG技术上，与传统方法相比，它具有多种优势。LIG的特点是效率高，成本低，环境影响最小，材料选择性广，并且能够在不需要催化剂或掩模的情况下生产图案化的石墨烯。本文还介绍了LIG制备技术的最新进展，并讨论了各种激光加工参数、激光类型、加工材料、环境和掺杂对最终LIG产品的形貌和性能的影响。此外，与已有报道的一些关于LIG的评论相比，我们还从PI、木材、树叶等原材料分析了LIG的复杂转化机理，将实验观察与深入的理论模拟相结合，方便读者对LIG的制造机理有更直观、更透彻的理解。此外，本文还讨论了如何精确调整LIG的内部微观结构和原子结构，为扩大LIG在不同领域的应用提供了见解。

此外，本文还综述了LIG在传感、能源器件、环境保护和太赫兹调制器件中的广泛应用。在传感领域，LIG可用于应变传感器、压力传感、温度传感、气体传感和生化传感，用于医疗诊断、气体监测和污染物检测。LIG在超级电容器、锂电池和燃料电池等能源设备中也显示出潜力。此外，LIG在环境保护方面的应用还包括用于海水淡化和水处理的抗污染系统，空气过滤和抗菌/抗病毒表面。最后，本文探讨了LIG在太赫兹调制器件中的应用，在信息通信、医学和安全领域都有应用。

结合LIG目前的发展情况，这里对LIG未来的发展趋势和突破点提出一些建议，仅供参考。

• 1)多元素和新元素掺杂的探索：研究人员可以研究多种掺杂或新元素掺杂对LIG的影响，以增强其电化学性能并扩展其应用场景。通过在LIG中引入不同的掺杂剂，可以实现出色的性能并使LIG功能化，适用于特定领域，例如热，压力，光敏或磁敏应用。
• 2)LIG目前以高电阻率生产，这导致大面积电子应用中的显着欧姆损耗。因此，在保持其其他有益特性的同时降低LIG的电阻率已成为一个关键的挑战和积极研究的领域。此外，现有的LIG量产方式主要涉及卷对卷生产和3D打印，因此LIG的量产也值得探索更具可扩展性的工艺。这种对可扩展生产方法的追求无疑将释放LIG的全部潜力，并扩大其在各种行业和应用中的使用。
• 3)绿色和可持续的LIG：为了解决基于LIG的可穿戴电子设备和日常电子产品中用作碳前体的聚合物产生的电子废物问题，研究人员可以探索使用天然有机材料作为替代品。木材、树叶、纸张或棉花等可再生材料可用于开发绿色环保的柔性电子设备。精确控制激光参数有助于克服与纤维素在受热时烧蚀和热解相关的挑战。
• 4)多功能集成传感器：虽然已经开发了各种类别的基于LIG的传感器，但它们对信号的单一识别限制了它们的更广泛使用。未来的研究可以集中在开发基于LIG的多功能集成传感器，能够监测多个信号源并同时检测多个刺激。这一进步将增强LIG传感器的多功能性和适用性。
• 5)扩大LIG-MSC制造规模：LIG-MSC在比电容，功率密度，能量密度，机械稳定性和循环稳定性方面具有独特的优势。然而，从实验室规模生产向大规模工业制造的过渡带来了挑战。解决技术瓶颈对于实现LIG-MSC的工业化生产至关重要。这可能涉及优化生产条件，探索新的制造工艺，改进激光参数，并考虑使用新的激光器和前体。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118356