石墨烯薄膜因其超高的導(dǎo)熱性能而被公認(rèn)為優(yōu)秀的散熱材料。一般來說，石墨烯薄膜以氧化石墨烯（GO）為原料，通過自組裝、碳化和石墨化過程制成。然而，碳化過程中大量氣體的產(chǎn)生和積累會(huì)產(chǎn)生很高的氣體壓力，從而導(dǎo)致有序堆疊結(jié)構(gòu)的破壞，嚴(yán)重影響石墨烯薄膜的導(dǎo)熱性。在這項(xiàng)工作中，我們提出了一種二胺試劑交聯(lián)和還原 GO 的策略，以限制碳化過程中的體積膨脹。胺基團(tuán)與含氧官能團(tuán)（-COOH、-C-O-C）發(fā)生親核取代和縮合反應(yīng)，形成-C-N鍵，通過改變化學(xué)結(jié)構(gòu)來拓寬產(chǎn)氣溫度范圍。與二甲胺基丙胺和 N-異丙基乙二胺相比，含有對(duì)稱伯胺的乙二胺能與 GO 充分反應(yīng)，形成堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。基于這些觀察結(jié)果，乙二胺改性薄膜顯示出比純石墨烯薄膜更低的膨脹率（115.2%）和更高的面內(nèi)熱導(dǎo)率（∼1180 W m
-1 K
-1）（分別為 152.6% 和 ∼980 W m
-1 K
-1）。這項(xiàng)工作對(duì)制備高導(dǎo)熱性石墨烯薄膜具有重要意義。
圖1. (a-d）分別為 GOF、GOF-E、GOF-D 和 GOF-I 的截面掃描電鏡圖像。(e-h）分別為 rGOF、rGOF-E、rGOF-D 和 rGOF-I 的截面掃描電鏡圖像。
圖2. 胺改性石墨烯薄膜的制作示意圖。
圖3. 碳化后，(a) rGOF、(c) rGOF-E、(e) rGOF-D 和 (g) rGOF-I (g) 的剖面圖及其典型高度剖面圖（b、d、f 和 h）。
圖4. (a) TG-DTG 曲線；(b) 釋放氣體的質(zhì)量比；(c) GOF、GOF-E、GOF-D 和 GOF-I 的 XRD 光譜。(d) rGOF、rGOF-E、rGOF-D 和 rGOF-I 的 XRD 圖譜。(e) 碳化前后 GOF 和胺改性薄膜的拉曼光譜。(f) GOF 和 GOF-E、GOF-D 和 GOF-I 的傅立葉變換紅外光譜。
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圖5. 碳化前，(a) GOF、(c) GOF-E、(e) GOF-D 和 GOF-E (g) 的光學(xué)圖像及其 16 個(gè)位點(diǎn)的傅立葉變換紅外光譜（b、d、f 和 h）（左下方的藍(lán)點(diǎn)為測(cè)試起點(diǎn)，右上方的紅點(diǎn)為測(cè)試終點(diǎn)）。
圖6.(a) GOF 和胺改性薄膜的氧含量、(b) 氮含量和 (c) XPS 勘測(cè)光譜。(d) GOF-E、(e) GOF-D 和 (f) GOF-I 的 XPS N 1s 光譜。
圖7. 交聯(lián)機(jī)理。(a) 短鏈脂肪胺的分子結(jié)構(gòu)。(b) 氨基與 GO 的活性位點(diǎn)之間的反應(yīng)機(jī)理。(c) 交聯(lián)結(jié)構(gòu)。
圖8. 薄膜的熱性能、機(jī)械性能和電性能。(a) 薄膜的彎曲測(cè)試。(b, c) 彎曲前后 GF-E 的掃描電鏡圖像。(d) GF 和 GF-E 的剝離力曲線。(e) GF、GF-E、GF-D 和 GF-I 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，(f) 楊氏模量和最高拉伸強(qiáng)度，(g) 導(dǎo)電性，以及 (h) 導(dǎo)熱性。
相關(guān)研究成果由中國科學(xué)院煤炭化學(xué)研究所Hui Jia、Dong Jiang和Cheng-Meng Chen等人2024年發(fā)表在ACS Applied Nano Materials (鏈接：https://doi.org/10.1021/acsanm.4c00958)上。原文：Crosslinking Strategy for Constraining the Structural Expansion of Graphene Films during Carbonization: Implications for Thermal Management
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
