石墨烯的应用前景将会在五大领域出现。一是光电产品领域，以其非常好的透光性、导电性和可弯曲性，在触摸屏、可穿戴设备、OLED、太阳能等领域中发挥作用。这也是目前公认最可能首先实现商品化的领域。二是能源技术领域，主要依赖于石墨烯超高的比表面积、超轻的重量和非常好的导电性。采用石墨烯的超级电容器，其极限储能密度是现有材料的2-5倍左右，被称作最理想的电极材料。三是功能复合材料，通过将石墨烯加入各种塑形基体，能够制备出具有很好导电、导热、可加工、耐损伤的特殊材料，在集成电路、散热片、高韧性容器等方面有应用潜力。四是微电子器件。未来的石墨烯半导体、石墨烯集成电路、THz器件等领域，可能需要利用石墨烯独特的性质来发挥。五是生物医药和传感器领域，石墨烯对单分子的响应能力、承载抗体后的分子输运能力都是其他传感器不能实现的。

 

　　虽然石墨烯具有优异的性能，但是由于其表面没有基团,化学稳定性高，其表面呈惰性状态，与其他介质(如溶剂等)的相互作用较弱，几乎不溶于任何溶剂，与其他物质的浸润性也很差，石墨烯片相互之间范德华力相互作用使其在溶剂中趋于团聚，更谈不上与金属氧化物复合。为了克服这些瓶颈问题，从而实现多功能应用，材料（如金属、半导体和绝缘体）通过掺杂、功能化或生长与石墨烯的集成成为人们关注的焦点。然而，在不干扰石墨烯特性的前提下，精确控制这种独特异质结构（尤其均匀性良好、比表面积大）的生长仍然是一项具有挑战性的任务。

 

　　近日，韩国大邱庆北科技研究所Sungwon Lee教授团队通过将纳米结构的金属氧化物（Co3O4和ZnO）与石墨烯单层膜结合而研发的新型异质结构（Co3O4/GML和ZnO/GML），表现出优良的机械稳定性、柔韧性和皮肤贴装性。可用于开发高效、灵活和可皮肤贴装的多功能器件，为实现各种生态友好、超薄、可贴皮肤的健康监测装置提供了可能。相关研究工作以“Multifunctional Metal-oxide Integrated Monolayer Graphene Heterostructures for Planar,Flexible,and Skin-mountable Device Applications”为题发表在国际顶级期刊《Nano Energy》上。

 

　　Sungwon Lee，博士，2011年毕业于韩国汉城延世大学。2012～2016，在日本东京大学担任博士后研究员。现任韩国DGIST（大邱庆博科学技术研究所）材料科学系副教授。主要研究既轻又灵活且生物兼容的设备和传感器，可以在不需要识别的情况下监测生物信息。电子皮肤产品和可穿戴设备的超柔性、透气排汗装置是当前的研究热点，目的是尽量减少长期健康监测过程中的不适感。

 

　　图1.金属氧化物结合石墨烯异质结构的制备

 

　　图2.金属氧化物结合石墨烯异质结构的力学性能

 

　　对石墨烯自然缺陷的微调能精确控制异质结构生长，是影响其性能的关键因素，可通过化学附着低能金属和氧化物离子实现。结果表明，超薄Co3O4/GML和ZnO/GML异质结构是在平面、柔性和表皮基底上完成的。在MONSs（超薄金属氧化物纳米结构）的成核和生长过程中，拉曼2D图谱中G峰强度比变化很大，这表明石墨烯的缺陷态受到了强烈的影响，XPS也证实了这一点。随着材料密度的增加，Co3O4/GML和ZnO/GML异质结构表现出数倍的催化性能和机械稳定性。

 

　　图3.原始和金属氧化物结合石墨烯异质结构的XPS分析

 

　　图4.Co3O4/GML异质结构的电催化性能

 

　　图5.ZnO/GML/IDCs/siO2/Si异质结构的电化学性能

 

　　采用电化学沉积法将氧化钴（Co3O4）和氧化锌（ZnO）材料与石墨烯转移到IDCs/SiO2/Si衬底进行了集成。在石墨烯层上Co3O4和ZnO结构的沉积量（或负载量）是通过改变沉积时间（DT，10-900s）来控制的，沉积时间在10s和900s时，阴极电位分别为1.70和2.05v。在增加沉积时间的同时，两种结构的表面形貌也发生了变化，逐渐从颗粒状转变为片状。此外，沉积在石墨烯层上的MONSs（超薄金属氧化物纳米结构）的平均表面密度随着沉积时间的增加而增加。随着沉积时间的增加，Co3O4/GML异质结构的2D/G比从3.5逐渐增大，在DT=60s时达到最大值9.03。随后，2D/G比随着沉积时间的增加而逐渐降低，并在DT=900s时达到4.57的低值。在与金属氧化物结合前，SiO2/Si或IDCs/SiO2/Si衬底上的原始石墨烯层表现出疏水性。在金属氧化物生长之后，即使金属氧化物原子的附着量很小，石墨烯层的表面也变得亲水。

 

　　图6柔性Co3O4/GML异质结构的电化学储能性能

 

　　图7.Au/GML、Co3O4/GML和ZnO/GML在热力学平衡前后随水氧化还原能的基本能带图

 

　　研究人员研发了超薄器件（<1µm），将两种不同纳米结构的金属氧化物与二维石墨烯单分子膜集成在平面和高度柔性的表面上，并展示了它们对器件性能的协同影响。低密度的石墨烯（(≤30μg/cm2））与金属氧化物的集成，显著提高了石墨烯的质量（2D/g～5-9）和导电性（电阻降低11-17Ω），得到的高密度异质结构表现出比单个材料更突出的水氧化特性。600s Co3O4（或ZnO）沉积的石墨烯层显示出14 mA/cm2 η=0.73 V（或0.6 mA/cm2 η=0.56 V）的最大电流密度，是原始石墨烯单分子膜的33（或15）倍。基于Co3O4/GML异质结构的微型超级电容器具有良好的机械稳定性和柔韧性，电容和比电容分别为7.76 F/cm3和1.27 F/g。以微米厚度设计的ZnO/GML异质结构表现出优越的光敏性～1.54，具有极好的柔韧性和皮肤贴装性。二维超薄金属氧化物结构的制备及其协同性、多功能性的探索，不仅为能源设备的开发开辟了新途径，也为皮肤贴装和可穿戴产品（通常用于健康监测装置）的开发提供了可能。

 

　　链接：

 

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285521005292#!

 

　　文章来源：材料＋

 

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