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中国科学家首次制备出单层石墨烯纳米带
2019-03-29
来源：转载自第三方
3月27日，天津大学封伟教授团队通过含氟自由基切割单壁碳纳米管，在世界范围内首次制备出单层石墨烯纳米带。这是中国科学家首次通过一步法获得单层石墨烯纳米带，其作为原电池正极材料能量密度较进口产品可提升30％。
氟化碳是目前世界上理论能量密度最高的原电池固态正极材料。西方发达国家一直将高能量氟化碳制备视为核心技术，严禁技术输出和公开交流。目前国内广泛使用的氟化碳材料主要依赖国外进口，严重制约了我国相关领域的科学研究和产业发展。
石墨烯，是一种性能非常优秀的二维材料，具有单层碳原子组成的蜂窝状结构。其厚度仅有人类发丝直径的百万分之一，但强度却胜过钢铁百倍，导电性能却胜过铜，所以非常适合用于电子器件。石墨烯是一种导电材料，但是它也可以变成纳米带状的半导体。这意味着需要具有足够大的能量或者禁带宽度，其中没有电子态可以存在：它可以被打开或者关闭，使之变成纳米晶体管的关键组件。
石墨烯纳米带原子结构中最细微的细节，对于晶体管组件的能带宽度大小以及纳米带的合适程度，产生了巨大的影响。从一方面说，能带宽度取决于石墨烯带的宽度；从另外一方面说，它取决于边缘的结构。由于石墨烯由等边六边形碳组成，边上会呈现出Z字形，或者扶手椅形，这取决于带的方向。具有Z字形边缘的能带会像金属一样导电；而具有扶手椅形状的能带会变成半导体。
这对于纳米带的生产带来了主要的挑战：如果纳米带通过切剪石墨烯层，或者通过剪切纳米管层制作，这些边缘将是不规则的，这样石墨烯纳米带将无法呈现出我们期望的电气特性。
现在，科学家们成功生长出只有9个原子宽度的带，具有规则的扶手椅形状边缘。为了达到这个目的，事先准备好的分子浓缩于超高的真空中。经过几个步骤之后，它们像拼图一样，在金基底上结合起来，形成期望的纳米带。该纳米带的宽度只有1纳米，长度为50纳米。
不过，受自身结构限制，当前国际主流的氟化碳材料也有痛点——它难以实现“能量密度高”和“功率密度高”的兼顾。2008年，封伟团队率先提出开发具有独特结构的新型氟化碳材料，以实现能量密度和功率密度的“双高”。历经十余年攻关，团队颠覆了现有的基于石墨烯六元环结构的共价型氟碳结构，在国际上率先研制出兼具高电压和高容量的结构型氟化碳材料。经实验室实测，这一新材料能量密度达到2738Wh/kg，比国外同类产品高30％，达到国际领先水平。同时，它能在超大放电电流条件下稳定工作。据测算，其成本相比进口材料能大幅度降低。目前，团队已经实现了新型氟化碳材料的稳定小批量生产。
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