隨著5G設(shè)備、儲能和熱管理等現(xiàn)代技術(shù)的快速發(fā)展，人們迫切需要具有更高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及更好加工、更輕、更薄等特性的功能材料，這需要確保電子遷移率并避免高內(nèi)阻以及消除納米電子器件的廢熱。目前單一材料很難同時滿足上述要求。例如，金屬或碳材料(碳納米管和石墨烯)具有較高的電導(dǎo)率和導(dǎo)熱性，但其加工和成型需要在高溫下進行或使用昂貴的設(shè)備，限制了其規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用。聚合物由于其良好的柔韌性和易加工性而被認為是理想的候選材料，但其電導(dǎo)率和/或?qū)嵝韵鄬^低。而復(fù)合材料由兩種或兩種以上的組分組成，可以結(jié)合組分材料的優(yōu)點，是開發(fā)具有高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的功能材料的重要方向。

通常，復(fù)合材料的電學(xué)和熱學(xué)性能在很大程度上受填料及其空間排列和負載水平的影響。在高導(dǎo)電性和熱傳導(dǎo)性填料中，石墨烯具有固有的超高導(dǎo)電性(108 S m-1) 和高熱導(dǎo)率（~5300 W m-1 K-1）以及重量輕的優(yōu)點，這使其成為有前景的用于制備具有高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的復(fù)合材料的候選填料。

盡管石墨烯復(fù)合材料的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率有了很大的進步，但這些石墨烯復(fù)合材料的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率分別低于 104 S m-1 和 30 W m-1 K-1，遠低于預(yù)期值。這是因為填料的負載分數(shù)需要低，以保持其在基體中的適當(dāng)分布和粘度。眾所周知，高填充量是獲得高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性所必需的。盡管石墨烯負載量高時復(fù)合材料的導(dǎo)電性較高，但其導(dǎo)熱系數(shù)仍低于100 W m?1 K?1(即使填料含量達到93 wt %)，仍低于預(yù)期。這主要是由于高載荷下石墨烯在基體中的缺陷和空間分布難以優(yōu)化。因此，探索一種簡單有效的制備策略以同時獲得具有高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的大規(guī)模柔性石墨烯復(fù)合材料具有重要意義。

基于此，近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所馬永梅課題組制備了一種具有高導(dǎo)電性和高導(dǎo)熱性的石墨烯/萘磺酸鹽(GN)復(fù)合薄膜。萘磺酸鹽(NS，水溶性大π分子)既是剝落劑又是組裝單元，不需要洗掉。研究人員首先通過NS直接將石墨(G)剝落成石墨烯，制備出大規(guī)模、穩(wěn)定、均勻的GN水溶液。然后通過逐層(LBL)刮削法將石墨烯分散成GN復(fù)合薄膜，這可以為石墨烯在膜中取向提供足夠的剪切力和時間。組裝的GN復(fù)合膜具有優(yōu)良的電導(dǎo)率(105 S m?1)和熱導(dǎo)率(300 W m?1 K?1)。同時，當(dāng)薄膜厚度僅為25 μm時，復(fù)合薄膜的電磁屏蔽性能可達37 dB，可以與之前報道的毫米厚度石墨烯復(fù)合材料相媲美。

這一發(fā)現(xiàn)為低成本、高效率同時獲得高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性石墨烯復(fù)合材料提供了新策略，在儲能(如電雙層電容器)和納米電子器件的熱管理方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

該研究以“Graphene/Naphthalene Sulfonate Composite Films with High Electrical and Thermal Conductivities for Energy Storage and Thermal Management in Nanoscale Electronic Devices”為題，發(fā)表在ACS Appl. Nano Mater上。

圖1. (a) 均質(zhì)GN溶液的制備過程和 (b) 通過LBL刮削法制備大面積自支撐GN復(fù)合膜的示意圖

圖2. GN水溶液的表征。(a) GN水溶液規(guī)模大、均勻、質(zhì)量高。(b) GN與原始G的拉曼光譜。拉曼光譜二維峰的放大圖。(c) GN的SEM圖像。(d) GN的TEM圖像和HRTEM 圖像。(e) GN的SAED 模式。(f) GN的AFM圖像。(g) NS、G和GN的紫外-可見光譜。(h) G和GN的紅外光譜。

圖3. LBL刮削法制備的大型自支撐GN復(fù)合薄膜

圖4. 獨立式GN復(fù)合膜的應(yīng)用。(a) GN復(fù)合膜的電性能應(yīng)用。在不同角度彎曲GN復(fù)合膜時燈泡的電流和亮度。(b) GN復(fù)合薄膜的熱性能應(yīng)用。環(huán)氧樹脂和由GN復(fù)合膜包裹的環(huán)氧樹脂的正視圖和俯視圖的紅外圖像。

文獻信息：

https:///10.1021/acsanm.1c02643