博士创业说|屈贞财博士专访:在三维世界中探索二维材料的无限可能

发表时间:2021-12-06 10:41

材料博士论坛

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本期专访中国科学院大学博士、中科院院长奖获得者、2021年江门“百名博硕”引育工程人才、AEIC学术委员会委员屈贞财,共同展望磷烯在5G时代的颠覆性应用!





“磷烯是从被称作‘可替代石墨烯的梦幻材料’——黑磷中剥离出来,其独特的褶皱结构决定了它具备很多优异的性能。我们通过化学共价键结合的形式对磷烯进行了功能化处理,实现了复合材料导热性能的大幅度提升,同时可以兼具优异的阻燃性能。

待到产率高、品质好、简单环保的磷烯制备技术逐渐成熟,我们相信磷烯会在整个导热领域引发颠覆性的革命。”


这是中国科学院大学博士、中科院院长奖获得者、2021年江门“百名博硕”引育工程人才、AEIC学术委员会委员屈贞财对磷烯在5G时代颠覆性应用的展望。



屈贞财

中国科学院大学博士、2021年江门“百名博硕”引育工程人才



“难用”变“好用”

功能化处理让二维材料大显神通


“什么是二维材料?”相信很多人都会发出这样的疑问。


屈贞财解释道:“生活中最常见的是三维材料,即具备长度、宽度和厚度三个维度。二维材料是指那些厚度几近为0、只有长度和宽度两个维度的材料”。2004年,曼彻斯特大学成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯,这也是二维材料的首次亮相,后续其它的一些二维材料相继被分离出来,如磷烯、硼烯、氮化硼等。


二维材料具有许多独特的性质,例如:比表面积大、尺寸效应独特、载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内等,因此在光电器件、热电器件等众多领域被广泛应用。


但是,二维材料在应用时也存在一些缺陷,因其纳米尺寸易团聚,导致分散不均,影响其综合性能,因此需要对二维材料进行功能化处理,以便更好地服务生产要求。


“我的主要研究方向就是通过对磷烯这种二维材料进行功能化处理,制备出高导热/高阻燃的复合材料,并将其应用于精细化的电子产品”,屈贞财笑着介绍。



黑磷纳米片


当前,磷烯是学术界研究的一大热点,它可以从被称作“可替代石墨烯的梦幻材料”——黑磷中剥离出来,但是还没有实现工业化以及跨越式发展。屈贞财解释道:“主要原因在于成本高、制备难度大,并且磷烯在空气、水中极不稳定,易发生氧化,这些限制了对磷烯的研究和进一步的产品化发展”。


即便如此,屈贞财从未放弃过对磷烯的研究。“我们认为磷烯的应用前景非常广阔。石墨烯是平面结构,而磷烯是蜂窝状的褶皱结构,这种结构就决定了它的性能跟石墨烯是有所区别的。” 屈贞财表示,他希望磷烯在未来能够应用于新能源汽车、5G电子产品的导热/阻燃方面,“根据磷烯的结构特点,有望实现垂直方向和水平方向双向导热的大幅度提升,‍‍同时可以具备优异的阻燃性能。如果将来能够应用的话,我相信磷烯会在整个导热领域引发颠覆性的革命。”


“高导热”且“高阻燃”

磷烯在复合材料的前瞻性应用


随着5G技术和智能设备的不断发展,快速散热已成为影响精细化电子产品寿命和安全性的关键因素。与传统的金属导热材料相比,导热高分子材料具有质量轻、成本低、易加工、电绝缘性好等优点,成为当前高导热材料的研究热点。

但由于高分子链段的无序性,其本征导热系数通常都很低,同时,高分子材料富含碳、氢和氧元素,具有高度易燃性,对电子器件的安全性构成潜在威胁。因此,如何同时赋予高分子材料优良的导热和阻燃性能一直是电子产品领域的重点攻关难题。

屈贞财经过长期的研究,在使用不同方法将磷烯功能化的基础上,创造性地采取了一种利用共价键连接磷烯和石墨烯,制备出同时具有超高导热和阻燃性能的柔性膜


 高导热/阻燃的柔性膜


“我们这种结合比较巧妙,并非是传统的物理共混,而是通过化学共价键的形式。” 屈贞财介绍,通过球磨磷烯(BP)晶体和尿素制备了氨基功能化的磷烯(BP)纳米片(BP-NH2),随后在1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)的作用下,利用BP-NH2与氧化石墨烯(GO)的羧基共价反应,成功将磷烯(BP)纳米片和氧化石墨烯(GO)共价连接起来,最后借助于真空抽滤和碘化氢还原等方式制备了多功能柔性复合膜。



 BP与GO的共价结合及复合膜的制备


在导热机理分析和阻燃性能测试中,这种共价键连接使磷烯几乎可以实现无损失的热量传递,同时具有优异的阻燃和抑烟性能。屈贞财介绍,这种共价键的结合方式非常稳定,可以避免团聚或者分散不均的现象,以此为基础制作的柔性膜导热系数可达1085 W m-1K-1,并且点燃后可在2秒内实现自熄。

屈贞财创造性的研究成果得到了国家重点研发计划及广州市科技计划的支持,并获得了国家发明专利授权。此项研究通过探索磷烯在复合材料的前瞻性应用,不仅可以显著提升复合材料的导热能力,还可以赋予其优良的阻燃性能,对于提升先进电子器件的安全性和使用寿命具有重要的理论和实践指导意义。



“机遇”与“挑战”

二维材料探索之路仍旧漫长


目前市面上,能够实现导热和阻燃双向达标的产品几乎没有,屈贞财解释道:“市场上的产品主要存在的问题就是导热做得好可能阻燃就不好,阻燃做得好导热效果就一般。导热与阻燃这两个过程难以达到高效统一,我们的产品正是巧妙地通过二维材料的功能化修饰,实现了材料导热和阻燃性能的双向提升‍‍‍‍”。

因此,高导热/阻燃柔性膜应用前景广阔,市场巨大。屈贞财介绍,他们团队已经将高导热/阻燃柔性膜应用在火警报警器上,当遇到火情的时候,它会智能地从半导体或者绝缘体变成导体,连通电路从而触发火警报警器,具有不用通电、节省成本、减少谎报漏报情况等诸多优点。除此之外,高导热/阻燃柔性膜在高性能锂电池、燃料太阳能电池、半导体器件、生物传感器、气体传感器、储存器等众多领域亦具有广泛的应用前景。


 高导热/阻燃柔性膜在火警报警器的应用机理


屈贞财对于二维材料的研究虽然取得了突破性进展,克服了磷烯在空气和水中易氧化的难题,研制了高导热/阻燃柔性膜,但是要想推广应用,仍然面临磷烯制备难度大、成本高的困境。

提及磷烯的制备,屈贞财表示,目前磷烯的制备技术已经趋于成熟,科研人员正力求开发大批量、品质高、简单环保的方法制备晶型规整的磷烯。“等到磷烯的大批量生产成为现实,将会引发各个领域突破性的变革。”屈贞财感叹道。


  尾声



作为2021年江门“百名博硕”引育工程人才,屈贞财坦言感受到了江门政府对于人才的重视,亦得到了很多人才政策的支持。作为江门(鹤山)精细化工园区引进博士,屈贞财将继续在三维世界中探索二维材料的无限可能,亦致力于实现精细化工园的绿色、创新、安全的可持续发展之路。



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