宝马娱乐在线我校化学学院程群峰教授课题组在《美国科学院院刊》发表最新研究成果

北航新闻网5月8日电5月7日,《美国科学院院刊》在线刊登了我校化学学院程群峰教授、江雷院士团队及其合作者的最新研究成果“有序交联的超强韧高导电石墨烯薄膜”(英译:Sequentiallybridged
graphene sheets with high strength, toughness, and
electricalconductivity),程群峰教授和生物医学工程高精尖中心首席科学家美国工程院院士RayH.
Baughman教授为共同通讯作者,2014级直博生万思杰为第一作者,北航为第一通讯单位。

原位拉曼测试结果表明,相比于rGO薄膜,πBG薄膜在断裂时具有更大的G峰位移,表明长链π-π堆积作用具有高效的应力传递效率。此外,分子动力学模拟拉伸应力-应变曲线与实验测试结果相符。如图4D所示,在模拟受力拉伸时,该πBG薄膜的石墨烯片层首先被拉直取向,随后长链π-π交联剂逐渐被拉直,从而提供石墨烯纳米片较大的滑移,最后交联剂与石墨烯纳米片发生滑移分离,薄膜断裂。图4E为πBG薄膜相应断裂过程的卡通图,显示该长链π-π堆积作用的强韧机理为高效的应力传递效率和石墨烯纳米片较大的滑移,这与原位拉曼测试的结果相符。相比于rGO薄膜,πBG薄膜的断面形貌呈现更明显的边缘卷曲,进一步证明了长链π-π堆积作用高效的应力传递效率。

在开幕式暨国际学术委员会聘书颁发仪式结束后,第一届北航经商国际论坛正式拉开帷幕。论坛由经商院海外院长李彤教授主持,先后有近20位专家学者报告了最新研究成果。

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图3. πBG薄膜在循环拉伸和弯折时的性能稳定性

北航经商国际论坛是北航经商院建设常态化国际学术交流制度的重要平台。第一届论坛以“经济学国际前沿”为主题,邀请了经济学研究与应用领域的国内外杰出学者参会,他们来自美国耶鲁大学、加拿大多伦多大学、美国北卡罗莱纳州立大学、新加坡国立大学、台湾国立中山大学、北京大学、复旦大学、北京师范大学、厦门大学、上海交通大学、中国人民大学、上海财经大学等。

程群峰课题组通过长链π-π堆积作用交联的高性能多功能石墨烯薄膜,将来有望代替商用碳纤维织物复合材料,应用于航空航天和柔性电子器件等领域。结合先进的规模化制备技术,本文提出的长链π-π堆积作用交联策略为制备高性能石墨烯纳米复合材料开辟了新的思路。

北航经商院聘请了美国耶鲁大学的陈晓红教授、加拿大多伦多大学的程達天教授、美国范德堡大学李彤教授、新加坡国立大学的段锦泉教授和吕景峰教授、美国康奈尔大学的李善军教授、美国北卡罗来纳州立大学郑霄勇教授、北京大学的龚六堂教授、北京师范大学李实教授和复旦大学马成虎教授,以及北航经管学院的范英教授、韩立岩教授、刘志新教授、欧阳桃花教授、任若恩教授、王惠文教授等担任首届国际学术委员会委员。副校长黄海军教授宣读了经商院国际学术委员会委员名单,并为他们颁发聘书。

图2. πBG薄膜的力学、电学和电磁屏蔽性能

经济管理学院党委书记刘志新教授宣读了经商院兼职教授名单,国际交流合作处处长李德玉教授为他们颁发了聘书。

5月20日,记者了解到,国际知名期刊Cell姊妹刊《Matter》在线刊登了北京航空航天大学化学学院程群峰教授、江雷院士团队及其合作者的最新研究成果“长链π-π堆积作用交联的超强石墨烯薄膜”,程群峰为通讯作者,2014级直博生万思杰为第一作者,北航为唯一通讯单位。

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碳纤维复合材料既坚固又轻巧,对自行车、节能飞机和汽车等各种产品都极为重要。然而,由于碳纤维复合材料的高温加工成本较高,因此需要更高效的碳基纳米复合材料,且工艺简单。在这项工作中,我们展示了一个廉价的低温过程,将丰富的天然石墨转化为无树脂,超强,而具有记录各向同性平面强度的超硬石墨烯薄膜,其强度与交联碳纤维复合材料一样强,通过长链π桥接,在反复机械变形过程中吸收机械能和抵抗性能退化的能力要大得多。除了特殊的机械性能外,石墨烯薄膜还显示出超高的电导率和电磁干扰屏蔽能力,在为商业用途取代碳纤维复合材料方面具有很强的竞争力。

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相比于rGO薄膜,该πBG薄膜具有更高的拉伸抗疲劳性能,在780——860
MPa的应力下,可循环拉伸264811次。由于优异的疲劳裂纹抑制能力,πBG薄膜在循环拉伸和弯折下,具有更高的稳定性,例如,在160——240
MPa应力下循环拉伸10万次后,πBG薄膜的拉伸强度、电导率和电磁屏蔽效能的保持率分别为93.4%、85.3%和89.3%。在360°循环折叠1000次后,πBG薄膜的拉伸强度、电导率和电磁屏蔽效能保持率分别为81.2%、78.4%和84.1%。

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该研究得到了国家优秀青年科学基金、国家自然科学基金面上项目,北航青年科学家团队、111引智计划、985高校基础科研业务费等项目的支持。论文合作者北京大学口腔医学院的博士研究生陈英同学,中科院过程工程研究所的王艳磊博士,北京航空航天大学化学学院江雷教授、刘宇宙教授和李光文同学,清华大学徐志平教授,国家纳米科学中心张建齐副研究员、刘璐琪研究员和汪国瑞博士以及北京航空航天大学高精尖创新中心首席科学家Antoni
P. Tomsia教授也对该研究进行大力支持。

5月9日电
5月9日,北航经济与商学研究院和经济管理学院举行第一届北航经商国际论坛暨经商院国际学术委员会聘任仪式。校长徐惠彬院士、副校长黄海军教授出席会议,来自国际国内知名高校的20多位教授专程赶来参加会议,我校国际交流合作处、经济管理学院等相关单位领导,与经管学院师生超过200人参加了会议。经济管理学院院长范英教授主持会议。

室温下将丰富的、价格低廉的天然石墨,组装成高性能的石墨烯薄膜,具有重要的研究意义。目前,低温氧化法可以有效地将石墨剥离成高质量的氧化石墨烯纳米片;而氢碘酸在室温下可高效还原氧化石墨烯。已有报道可以通过CVD方法合成大面积单层石墨烯薄膜,但是如何将低廉的GO纳米片组装成宏观高性能的石墨烯薄膜材料仍然是一个技术难点。

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基于此,最近程群峰课题组在前期研究的基础上,设计了一种长链π-π堆积作用交联剂,将还原后的GO纳米片交联成超强超韧高导电的石墨烯薄膜。该长链π-π堆积作用交联剂由10,12-二十二碳二炔二酸二芘甲酯单体聚合组成;其不仅可以通过两端的芘基与相邻的石墨烯纳米片交联,而且可以通过二炔基团1,4-加成聚合成长链分子。长链π-π堆积交联的石墨烯薄膜的拉伸强度和韧性分别达到1054
MPa和36 MJ/m3,为目前文献报道的最高值;电导率为1192
S/cm,与高温处理的石墨烯薄膜相当。由于长链π-π堆积作用可提升石墨烯纳米片的规整度,因此该πBG薄膜具有高效的电磁屏蔽效能。此外,在循环拉伸和折叠变形下,该πBG薄膜还具有超高的抗疲劳性能和优异的性能稳定性。更重要的是,该工作通过原位拉曼表征和分子动力学模拟,揭示了长链π-π堆积作用的强韧机理,为组装纳米基元材料提供了重要的理论指导。

校长徐惠彬院士在致辞中指出,今天我们在这里隆重举行北航首届经商国际论坛,同时为北航经济与商学研究院的国际学术委员会和兼职教授颁发聘书。这是北航建设扎根中国大地的世界一流大学进程中的一次重要的学术活动,也是北航经济与商学研究院高起点国际化发展战略的具体实施。北航作为全国知名的高水平大学,在科技创新方面取得了突出的成果,形成了科技创新的北航模式。在学校建设扎根中国大地的世界一流大学的发展战略中,学校十分重视经济学与商科的发展,成立了经济与商学研究院,采取与国际接轨的机制体制,汇聚国际一流科学家,建设世界一流学科,打造世界一流的经济和商学研究院。

πBG薄膜的拉伸应力-应变曲线如图2A所示,其力学性能可通过改变交联剂的含量进行优化。如图2B所示,最优化的πBG薄膜的拉伸强度、韧性和电导率分别达到1054
MPa、36 MJ/m3和1192
S/cm,是rGO薄膜的2.9、4.6和1.3倍,此外,这三种性能优于文献报道的其它室温交联石墨烯薄膜。由于优异的导电性能和有序的层状结构,该πBG薄膜相比于rGO薄膜具有更高的电磁屏蔽效能,在0.3——18
GHz频率范围的电磁屏蔽效能为36.5
dB。如图2E和F所示,该πBG薄膜的主要屏蔽机制为吸收作用,此外,相比于其它实心固体屏蔽材料,πBG薄膜的密度较低,因此具有更高的比屏蔽效能。

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天然鲍鱼壳具有优异的断裂韧性,存在以下特点:室温生长;有序的有机-无机交替层状结构;丰富的界面相互作用。受此启发,程群峰课题组近年来提出,通过构筑不同的界面类型,提升石墨烯层间界面相互作用,进而提高石墨烯薄膜的物理化学性能。石墨烯纳米片表面具有大面积的sp2结构,可以为π-π堆积作用提供丰富的交联位点,从而有利于提升界面强度;此外,相比于其它界面作用,π-π堆积作用可维持石墨烯纳米片的共轭骨架结构,因此,π-π堆积作用可以同时提升石墨烯薄膜的拉伸强度和导电性能。然而,由于π-π堆积作用使用的交联剂通常为小分子,其极大地限制了石墨烯纳米片在拉伸过程的滑移,因此很难大幅度提高石墨烯薄膜的性能。

由于石墨的丰富,将天然石墨转化为高性能石墨烯薄膜非常有吸引力。然而,这种转换是具有挑战性的,以低成本和在环境条件下做。其中一个主要的挑战是如何设计邻接的石墨烯纳米片之间的界面,将高强度、高韧性和高导电性集成到石墨烯薄膜中。在这里,我们证明了长链π-π键结剂可以将还原的石墨烯氧化物纳米片连接成超强、超强和高导电的石墨烯薄膜。拉曼频率变化与分子动力学模拟的应变依赖性共同揭示了拉曼频率变化的增强和增韧机制。此外,长链π桥接诱导了石墨烯纳米片对齐的实质性改进。拉伸强度和韧性分别为1,054mpa和36mj/m3,超过了报告的石墨烯薄膜。同时,电导率达到1,192/cm,与高温退火石墨烯薄膜相当。生物激发的策略为将纳米级积木组合成高性能电影开辟了一条道路。

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宝马娱乐在线,πBG薄膜的制备过程如图1A所示,首先将GO水溶液真空抽滤成GO薄膜;然后,该GO薄膜通过氢碘酸还原转化成rGO薄膜;最后将该rGO薄膜浸泡在10,12-二十二碳二炔二酸二芘甲酯溶液中,并利用紫外光照得到πBG薄膜。该πBG薄膜具有优异的柔性和有序的层状结构。进一步,广角激光散射结果表明,相比于rGO薄膜,该πBG薄膜具有更规整的片层取向。

图4. πBG薄膜的强韧机制

图1. πBG薄膜的制备过程及微观结构

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