激光诱导聚合物制备石墨烯研究进展及应用

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.01.019

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (1): 124-135.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.01.019

激光诱导聚合物制备石墨烯研究进展及应用

彭辉¹^,², 赵伟²(), 常伟伟¹, 王义亮³^,⁴

^1.山东理工大学分析测试中心，山东淄博 255000
^2.中国科学院空间应用工程与技术中心，太空制造技术重点实验室，北京 100094
^3.清华大学化学系，北京 100084
^4.卡尔斯鲁厄理工学院，机械加工工程与力学研究所，卡尔斯鲁厄 76131

收稿日期:2020-05-14 出版日期:2021-01-26 发布日期:2021-01-22
基金资助:
中国科学院前沿科学重点研究计划(ZDBS-LY-JSC042);中国科学院战略性先导科技专项A类(XDA22010101)

Research Progress in Preparation of Laser⁃induced Graphene and Its Applications

PENG Hui¹^,², ZHAO Wei²(), CHANG Weiwei¹, WANG Yiliang³^,⁴

^1.Analysis and Testing center，Shandong University of Technology，Zibo 255000，China
^2.CAS Key Laboratory of Space Manufacturing Technology，Technology and Engineering Center for Space Utilization，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China
^3.Department of Chemistry，Tsinghua University，Beijing 100084，China
^4.Institute for Mechanical Process Engineering and Mechanics，Karlsruhe Institute of Technology，Karlsruhe 76131，Germany

Received:2020-05-14 Online:2021-01-26 Published:2021-01-22
Contact: ZHAO Wei E-mail:penghui420@163.com

摘要/Abstract

摘要：

综述了激光诱导聚合物制备石墨烯近年来的研究进展及应用情况，重点总结了激光诱导过程中原料种类、气氛控制、激光功率、扫描速度、扫描次数等参数对所制备石墨烯的影响，及其在微型超级电容器、柔性传感、催化及环境处理领域的应用情况，最后简要讨论了该研究方向未来的发展趋势。

关键词: 激光, 聚合物, 石墨烯, 参数, 应用

Abstract:

In this paper， the recent research process in the laser?induced graphene （LIG） was reviewed and its applications were introduced. The influences of material type， atmosphere control， laser power， scanning speed， scanning times， and other parameters on the preparation of LIG were summarized. The applications of LIG in micro-supercapacitors， flexible sensors， catalyst， and environmental treatment were reviewed. In addition， the research directions in future were briefly discussed.

Key words: laser, polymer, graphene, parameter, application

中图分类号:

TB 383

彭辉, 赵伟, 常伟伟, 王义亮. 激光诱导聚合物制备石墨烯研究进展及应用[J]. 中国塑料, 2021, 35(1): 124-135.

PENG Hui, ZHAO Wei, CHANG Weiwei, WANG Yiliang. Research Progress in Preparation of Laser⁃induced Graphene and Its Applications[J]. China Plastics, 2021, 35(1): 124-135.

图/表 20

图1 激光诱导石墨烯原理图及应用

Fig. 1 Schematic diagram and application of laser induced graphene

图2 激光诱导石墨烯示意图

Fig.2 Schematic of the synthesis process of LIG

图3 激光诱导石墨烯SEM照片

Fig.3 SEM images of LIG

图4 激光诱导石墨烯拉曼测试结果

Fig.4 Raman result of LIG

图5 激光诱导石墨烯XRD测试结果

Fig.5 XRD result of LIG

图6 不同方法制备石墨烯的TEM照片

Fig.6 TEM images of graphene based on different methods

图7 PI在不同激光能量照射下的SEM及拉曼光谱分析

Fig.7 SEM and Raman analysis of PI with different laser energy

图8 激光聚焦程度、功率及扫描速度对脉冲强度的影响

Fig. 8 Effect of focus degree, laser power and scanning rate on laser pulse intensity

图9 不同聚合物激光诱导制备石墨烯

Fig. 9 LIG formation on various polymers

图10 激光诱导制备掺杂石墨烯

Fig. 10 Formation of laser induced doped graphene

图11 激光诱导石墨烯泡沫

Fig. 11 Laser induced graphene foam

原料	气氛	激光参数（功率；扫描速度；扫描次数）	应用	参考文献
PI	空气	4.8 W；8.9 cm/s	微型超级电容器	[2]、[21]
PI	空气	0.5 W；0.85 cm/s	传感器	[3]
PI	空气	7.5 W；1.4 cm/s	传感器	[22]
PI	空气	4.5 W；6.35 cm/s	传感器	[23]
PI	空气	0.81 W；5.84 cm/s	催化	[24]
PI	O₂/空气/Ar/H₂/SF₆	1.5 W；15 cm/s	环境处理	[18]
PEEK	空气	5 W；10 cm/s；6次	传感器	[13]
蔗糖	H₂	7.5 W；15.24 cm/s	——	[19]
纸	空气	5.8 W	传感器	[25]
酚醛树脂	空气	0.5 W；20 cm/s	传感器	[14]
木材	Ar/H₂	8.9 W；15 cm/s	催化	[15]
聚酰胺?酰亚胺	空气	3.75 W；0.75 cm/s	——	[16]
PES	空气	3 W；1.5 cm/s	——
PEI	空气	3.75 W；1.5 cm/s	——
PEEK	空气	3.75 W；1.5 cm/s； 4次	——
交联聚苯乙烯	空气	2.25 W；1.5 cm/s	——
环氧树脂	空气	3.75 W；1.5 cm/s； 2次	——
磷酸处理纤维素	空气	1.5 W；1.5 cm/s；3次	——

表1 激光诱导石墨烯过程参数及应用

Tab. 1 Process parameter and application of laser induced graphene

图12 基于PI的激光诱导石墨烯超级电容器

Fig. 12 LIG?derived supercapacitor based on PI

图13 基于激光诱导石墨烯制备人工智能嗓子

Fig.13 An intelligent artificial throat based on laser induced graphene

图14 基于激光诱导石墨烯的智能PEEK齿轮

Fig. 14 Smart PEEK gear based on LIG

图15 基于激光诱导石墨烯的水裂解电极

Fig. 15 Water splitting fabricated based on LIG

图16 基于激光诱导石墨烯的微生物抗菌膜

Fig. 16 LIG film for microbial antifouling

图17 过滤膜SEM照片

Fig.17 SEM images of the filter

图18 过滤膜表面水滴照片

Fig.18 Water droplet on the surface of the filter

图19 激光诱导石墨烯过滤膜用于分离CHCl3/H2O混合物

Fig.19 Filtration of CHCl3/H2O mixture with LIG filter

参考文献 40

1	NOVOSELOV K S， GEIM A K， MOROZOV S V， et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films［J］. Science，2004，306（5696）：666⁃669.
2	PENG Z W， YE R Q， MANN J A， et al. Flexible Boron⁃Doped Laser⁃Induced Graphene Microsupercapacitors［J］. ACS Nano，2015，9（6）：5 868⁃5 875.
3	TAO L Q， TIAN H， LIU Y， et al. An Intelligent Artificial Throat with Sound⁃Sensing Ability Based on Laser Induced Graphene［J］. Nature Communications，2017，8：14579.
4	VANEGAS D C， PATINO L， MENDEZ C， et al. Laser Scribed Graphene Biosensor for Detection of Biogenic Amines in Food Samples Using Locally Sourced Materials［J］. Biosensors，2018，8（2）：8020042.
5	ZHANG J B， ZHANG C H， SHA J W， et al. Efficient Water⁃Splitting Electrodes Based on Laser⁃Induced Graphene［J］. ACS Applied Materials and Interfaces，2017，9（32）：26 840⁃26 847.
6	SINGH S P， LI Y L， BEER A， et al. Laser⁃Induced Graphene Layers and Electrodes Prevents Microbial Fouling and Exerts Antimicrobial Action［J］. ACS Applied Materials and Interfaces，2017，9（21）：18 238⁃18 247.
7	TITTLE C M， YILMAN D， POPE M A， et al. Robust Superhydrophobic Laser⁃Induced Graphene for Desalination Applications［J］. Advanced Materials Technologies，2018，3（2）：1700207.
8	LIN J， PENG Z W， LIU Y Y， et al. Laser⁃Induced Porous Graphene Films from Commercial Polymers［J］. Nature Communications，2014，5：5714.
9	ZHANG K， TANG J， YUAN J S， et al. Production of Few⁃Layer Graphene via Enhanced High⁃Pressure Shear Exfoliation in Liquid for Supercapacitor Applications［J］. ACS Applied Nano Materials，2018，1（6）：2 877⁃2 884.
10	DAVE S H， GONG C C， ROBERTSON A W， et al. Chemistry and Structure of Graphene Oxide via Direct Imaging［J］. ACS Nano，2016，10（8）：7 515⁃7 522.
11	TSEN A W， BROWN L， HAVENER R W. et al. Polycrystallinity and Stacking in CVD Graphene［J］. Accounts of Chemical Research，2012，46（10）：2 286⁃2 296.
12	DUY L X， Peng Z W， Li Y L， et al. Laser⁃Induced Graphene Fibers［J］. Carbon. 2018，126：472⁃479.
13	YANG W W， ZHAO W， Li Q S， et al. Fabrication of Smart Components by 3D Printing and Laser⁃Scribing Technologies［J］. ACS Applied Materials and Interfaces，2020，12（3）：3 928⁃3 935.
14	ZHANG Z C， SONG M M， HAO J X， et al. Visible Light Laser⁃Induced Graphene from Phenolic Resin： A New Approach for Directly Writing Graphene⁃Based Electrochemical Devices on Various Substrates［J］. Carbon， 2018，127：287⁃296.
15	YE R Q， CHYAN Y， ZHANG J B， et al. Laser⁃Induced Graphene Formation on Wood［J］. Advanced Materials， 2017，29（37）：1702211.
16	CHYAN Y， YE R Q， LI Y L， et al. Laser⁃Induced Graphene by Multiple Lasing： Toward Electronics on Cloth， Paper， and Food［J］. ACS Nano，2018，12（3）：2 176⁃2 183.
17	YE R Q， PENG Z W， WANG T， et al. In Situ Formation of Metal Oxide Nanocrystals Embedded in Laser⁃Induced Graphene［J］. ACS Nano，2015，9（9）：9 244⁃9 251.
18	LI Y L， LUONG D X， ZHANG J B， et al. Laser⁃Induced Graphene in Controlled Atmospheres： From Superhydrophilic to Superhydrophobic Surfaces［J］. Advanced Materials，2017，29（27）：1700496.
19	SHA J W， LI Y L， SALVATIERRA R V， et al. Three⁃Dimensional Printed Graphene Foams［J］. ACS Nano， 2017，11（7）：6 860⁃6 867.
20	LUANG D X， SUBRAMANIAN A K， SILVA G A L， et al. Laminated Object Manufacturing of 3D⁃Printed Laser⁃Induced Graphene Foams［J］. Advanced Materials，2018，30（28）：1707416.
21	PENG Z W， LIN J， YE R Q， et al. Flexible and Stackable Laser⁃Induced Graphene Supercapacitors［J］. ACS Applied Materials and Interfaces，2015，7（5）：3 414⁃3 419.
22	RAHIMI R， OCHOA M， TAMAYOL A， et al. Highly Stretchable Potentiometric pH Sensor Fabricated via Laser Carbonization and Machining of Carbon⁃Polyaniline Composite［J］. ACS Applied Materials and Interfaces， 2017，9（10）：9 015⁃9 023.
23	LUO S D， HOANG P T， LIU T. Direct Laser Writing for Creating Porous Graphitic Structures and Their Use for Flexible and Highly Sensitive Sensor and Sensor Arrays［J］. Carbon，2016，96：522⁃531.
24	NAYAK P， JIANG Q， KURRA N， et al. Monolithic Laser Scribed Graphene Scaffolds with Atomic Layer Deposited Platinum for the Hydrogen Evolution Reaction［J］. Journal of Materials Chemistry A，2017，5（38）：20 422⁃20 427.
25	DE ARAUJO W R， FRASSON CMR， AMEKU W A， et al. Single⁃Step Reagentless Laser Scribing Fabrication of Electrochemical Paper⁃Based Analytical Devices［J］. Angewandte Chemie International Edition， 2017，56（47）：15 113⁃15 117.
26	BEIDAGHI M， GOGOTSI Y. Capacitive Energy Storage in Micro⁃Scale Devices： Recent Advances in Design and Fabrication of Micro⁃Supercapacitors［J］. Energy and Environmental Science，2014，7（3）：867⁃884.
27	IN J B， HSIA B， J⁃HYOO， et al. Facile Fabrication of Flexible All Solid⁃State Micro⁃Supercapacitor by Direct Laser Writing of Porous Carbon in Polyimide［J］. Carbon，2015，83：144⁃151.
28	KIM K Y， CHOI H， VAN T C， et al. Simultaneous Densification and Nitrogen Doping of Laser⁃Induced Graphene by Duplicated Pyrolysis for Supercapacitor Applications［J］. Journal of Power Sources，2019，441：227199.
29	BANKS C E， COMPTON R G. New Electrodes for Old： From Carbon Nanotubes to Edge Plane Pyrolytic Graphite［J］. Analyst，2006，131（1）：15⁃21.
30	GRIFFITHS K， DALE C， HEDLEY J， et al. Laser⁃Scribed Graphene Presents an Opportunity to Print a New Generation of Disposable Electrochemical Sensors［J］. Nanoscale，2014，6（22）：13 613⁃13 622.
31	FENZL C， NAYAK P， HIRSCH T， et al. Laser⁃Scribed Graphene Electrodes for Aptamer⁃Based Biosensing［J］. ACS Sensors，2017，2（5）：616⁃620.
32	TEHRANI F， BAVARIAN B. Facile and Scalable Disposable Sensor Based on Laser Engraved Graphene for Electrochemical Detection of Glucose［J］. Scientific Reports，2016，6：27975.
33	FU S F， ZHU C Z， SONG J H， et al. Highly Ordered Mesoporous Bimetallic Phosphides as Efficient Oxygen Evolution Electrocatalysts［J］. ACS Energy Letters，2016，1（4）：792⁃796.
34	ZHANG J B， REN M Q， WANG L Q， et al. Oxidized Laser⁃Induced Graphene for Efficient Oxygen Electrocatalysis［J］. Advanced Materials，2018，30（21）：1707319.
35	TILIAKOS A， TREFILOV AMI， TANASA E， et al. Laser⁃Induced Graphene as the Microporous Layer in Proton Exchange Membrane Fuel Cells［J］. Applied Surface Science，2020，504：144096.
36	RAO C N R， SOOD A K， VOGGU R， et al. Some Novel Attributes of Graphene［J］. The Journal of Physical Chemistry Letters，2010，1（2）：572⁃580.
37	THAKUR A K， SINGH S P， THAMARAISELVAN C， et al. Graphene Oxide on Laser⁃Induced Graphene Filters for Antifouling， Electrically Conductive Ultrafiltration Membranes［J］. Journal of Membrane Science，2019，591：117 322.
38	RATHINAM K， SINGH S P， LI Y L， et al. Polyimide Derived Laser⁃Induced Graphene as Adsorbent for Cationic and Anionic Dyes［J］. Carbon，2017，124：515⁃524.
39	BAYATI M， PENG H M， DENG H， et al. Laser Induced Graphene/Ceramic Membrane Composite： Preparation and Characterization［J］. Journal of Membrane Science，2020，595：117537.
40	占彦龙，李文，李宏，等. 激光微加工技术制备浸润性可控聚四氟乙烯超疏水表面［J］. 高分子材料科学与工程，2018，34（4）：147⁃158.
	ZHAN Y L， LI W， LI H， et al. Fabrication of Polytetrafluoroethylene Superhydrophobic Surface with Controllable Wettability by Laser Micromaching Technology［J］. Polymer Materials Science and Engineering，2018，34（4）：147⁃158.

[1]	冯凯, 李永青, 马秀清, 韩颖. 聚甲醛增韧改性的研究进展及应用[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 157-164.
[2]	冯冰涛, 王晓珂, 张信, 孙国华, 汪殿龙, 侯连龙, 马劲松. 连续碳纤维增强热塑性复合材料制备与应用研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 165-173.
[3]	杨小龙, 陈文静, 李永青, 闫晓堃, 王修磊, 谢鹏程, 马秀清. 导电型聚合物/石墨烯复合材料的研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 165-173.
[4]	魏茂强. 农用塑料薄膜的发展与探讨[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 92-99.
[5]	孙文博, 信春玲, 何亚东, 翟玉娇, 闫宝瑞. 玻璃纤维增强PBT微发泡工艺对其制品泡孔结构的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 1-7.
[6]	孙旗, 高兴, 崔雪梅, 连慧琴, 崔秀国, 汪晓东. 黑磷烯纳米阻燃剂研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 133-139.
[7]	田驰锋, 张洪申. 基于翅片式摩擦桶的车用聚合物粒子荷电及静电分离探索[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 75-80.
[8]	李梦琪, 陈雅君. 纳米材料阻燃聚乳酸的研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 102-114.
[9]	董露茜, 徐芳, 翁云宣. 聚乙醇酸改性及其应用研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 166-174.
[10]	彭博, 肖运彬, 顾家宝, 陈梓钧, 唐雁煌, 朱刚, 徐焕翔. 聚合物/石墨烯复合材料制备与性能研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 190-197.
[11]	宋立健, 张有忱, 左夏华, 张政和, 安瑛, 杨卫民, 谭晶, 程礼盛. 自组装单分子层调控界面热输运的研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 60-69.
[12]	黎玉山, 李杰. PDMS耐久性超疏水表面的研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(3): 167-176.
[13]	程曼芳, 白继峰, 王文清, 雷良才, 李海英, 韩向艳, 胡跃鑫. 基于超支化聚对氯甲基苯乙烯聚合离子液体共混体系的制备与表征[J]. 中国塑料, 2022, 36(3): 40-47.
[14]	翟玉娇, 信春玲, 何亚东, 闫宝瑞, 乔林军. 聚丙烯/超临界氮气微孔注塑充模过程工艺参数研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(3): 69-74.
[15]	张庭, 金清平, 宋仕娥, 曹南南, 邓思远. 不同腐蚀环境下FRP筋耐久性与寿命预测研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(3): 75-81.

激光诱导聚合物制备石墨烯研究进展及应用

Research Progress in Preparation of Laser⁃induced Graphene and Its Applications

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 20

参考文献 40

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价