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ACS Mater. Lett. | 石墨烯「保鮮膜」——空氣中不穩定2D材料的防護服
英文原題：Seamless Graphene-Seal-Wrap as a Removable Protective Cover for Two-Dimensional Materials
通訊作者： Yingying Zhang（張瑩瑩）, Department of Chemistry, Tsinghua University
作者：Kailun Xia（夏凱倫）, Muqiang Jian（蹇木強）, Chunya Wang（王春雅）, Zhe Yin（誾哲）, Mingchao Zhang（張明超）, Huimin Wang（王惠民）, Yang Wu（吳揚）and Yingying Zhang（張瑩瑩）
自從石墨烯被發現以來，越來越多的二維（2D）材料進入人們的視野。石墨烯具有優異的穩定性，與之不同的是，其他多數2D材料穩定性不好。例如黑磷對空氣中的氧氣和水極為敏感，這極大的限制了其應用。石墨烯具有由sp2雜化碳原子構成的2D蜂窩狀晶格，具有優異的柔性和穩定性，並且有出色的阻隔性能（據報導只有質子才能穿透完美的石墨烯）。那石墨烯可否被製作成其他不穩定2D材料的保護膜呢？保證所使用的的石墨烯膜完美無缺並且設計方便的轉移方法是需要解決的關鍵問題。
近日，清華大學化學系張瑩瑩（點擊查看介紹）團隊報導了一種可移除石墨烯「保鮮膜」，並展示了其良好的對原本在空氣中不穩定的2D材料的保護效果。該石墨烯「保鮮膜」由CVD生長的大面積完整石墨烯膜、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜和熱釋放膠帶（HRT）構成。其中HRT/PMMA層用作石墨烯轉移的輔助層，保證了石墨烯保護層可以被完整、便捷的貼附和移除。將該「保鮮膜」覆蓋在被保護物質表面，通過溫和地加熱可移除HRT，通過蒸汽可移除PMMA，從而留下石墨烯層；如果需要移除該石墨烯層釋放出下層的被保護物質，可以再次藉助HRT，將石墨烯揭除。
該工作以黑磷（BP）為例，展示了石墨烯「保鮮膜」優異的密封效果。通過系統地跟蹤裸露的黑磷和被石墨烯保護的黑磷在空氣中隨時間演變過程中形貌和結構的變化，發現裸露的黑磷在空氣中很容易被氧化（24小時之後便明顯氧化），並且較高的濕度環境會進一步加速黑磷的降解。而被石墨烯保護的黑磷，即使在高濕度條件下，也可以在長達18天的監測中保持穩定，從而證實了石墨烯密封層可以有效地阻擋空氣中的氧氣和水。更重要的是，該石墨烯層可以藉助熱釋放膠帶被揭除，使得被保護的物質「重見天日」，以便進行其他操作。此密封/開封過程可以重複多次。基於該石墨烯「保鮮膜」便捷的使用用法和出色的保護效果，該工作有望促進以黑磷為代表的不穩定2D材料的研究與應用。
圖1.石墨烯「保鮮膜」的製備。
圖2. 使用石墨烯「保鮮膜」保護黑磷（BP）片層以及將石墨烯膜從BP片層表面揭除的過程。
圖3. 黑磷片層在大氣環境下氧化過程。
圖4. 裸露的黑磷（BP）片層和被石墨烯保護的BP片層在不同濕度的空氣中暴露前後的AFM形貌變化。（a）組 І：相對濕度為11.3％。（b）組 ІІ：相對濕度為25％。（c）組 ІІІ：相對濕度為54.4％。（d）組 Ⅳ：相對濕度為94.7％。
相關研究結果於近日發表在ACS Materials Letters。該研究得到了國家自然科學基金委（51672153）、科技部（2016YFA0200103）和國家青年拔尖人才基金的資助。
Seamless Graphene-Seal-Wrap as a Removable Protective Cover for Two-Dimensional Materials
Kailun Xia, Muqiang Jian, Chunya Wang, Zhe Yin, Mingchao Zhang, Huimin Wang, Yang Wu, Yingying Zhang*
ACS Materials Lett., 2020, DOI: 10.1021/acsmaterialslett.9b00344
Publication Date: January 28, 2020
Copyright © 2020 American Chemical Society
導師介紹
張瑩瑩
https://www.x-mol.com/university/faculty/12061
（本稿件來自ACS Publications）