通过原位固液气催化反应合成高热性能液态金属复合材料

《Materials Today》：Synthesis of high-thermal-performance liquid metal composites via in-situ solid-liquid-gas catalytic reaction

镓基液态金属复合材料通过CO?气泡-化学气相沉积法原位合成石墨片，实现热导率提升至89.0 W m?1 K?1并保持长期流变稳定性。研究证实CuGa?合金催化CO?还原生成石墨片，有效抑制镓基合金化，分子动力学模拟揭示了热传输机制与原子扩散行为。

　　这项研究围绕基于镓的液态金属（LM）复合材料的制备展开，旨在解决传统方法中存在的性能下降问题。液态金属因其独特的物理化学性质和室温下的流动性，在柔性电子、热管理、能量转换系统、电池和生物医学等多个领域展现出广阔的应用前景。然而，现有技术在制备这类复合材料时往往面临一些挑战，例如空气中的氧化反应、金属间化合物的形成以及空气泡的产生，这些都会显著影响液态金属的导热和导电性能。

在传统方法中，为了增强液态金属的性能，通常会将其与各种金属或非金属填料进行物理混合。这种方法虽然简单，但会引入一些问题。例如，混合过程中生成的氧化层（如Ga?O?）不仅会降低液态金属的表面张力，还可能包裹填料，形成不均匀的结构，从而阻碍热传导。此外，空气泡和过多的氧化物会进一步削弱液态金属的导热和导电能力。与此同时，镓基液态金属容易与大多数金属形成金属间化合物，这些化合物虽然可以在填料与液态金属基体之间形成良好的接触，但其快速扩散会导致材料硬化，降低长期使用性能。

为了解决这些问题，研究团队提出了一种新的化学方法，利用基于镓的二元合金作为催化剂，通过CO?气泡-化学气相沉积（CVD）方法在液态金属中实现石墨烯片的原位合成。这种方法避免了传统物理混合过程中可能出现的氧化层和金属间化合物的形成，从而显著提升了液态金属复合材料的性能。研究发现，通过在液态金属基体中引入铜颗粒，并在这些颗粒表面形成铜镓合金（CuGa?），可以有效扩大反应界面，促进CO?的分解和石墨烯的生长。最终得到的EGaIn/CuP@Gr复合材料表现出高达89.0 W m?1 K?1的导热性能，这在现有的液态金属基热界面材料（TIMs）中属于最高水平之一。

此外，该研究还从理论上探讨了CO?还原和热传导机制，揭示了CuGa?合金在低温度下促进石墨烯合成的关键作用。通过密度泛函理论（DFT）计算，研究团队发现CO?在CuGa?（001）表面的吸附能力比在Cu（111）表面更强，且其分解的能垒更低，这使得在较低温度下实现石墨烯的高效合成成为可能。这种化学方法不仅提高了液态金属复合材料的导热性能，还保持了其长期稳定的流变特性，为未来在热管理、可穿戴电子、柔性电池、航空航天和生物医学等领域的应用提供了新的思路。

研究还通过实验验证了该方法的可行性，并进一步探讨了其在实际应用中的表现。例如，团队利用EGaIn/CuP@Gr复合材料构建了一个CPU冷却系统，结果显示该材料在1000次热循环后仍能保持稳定的散热性能。这一结果表明，该方法不仅能够提高液态金属复合材料的导热能力，还能确保其在复杂工况下的长期稳定性。

从材料合成的角度来看，该研究提供了一种新的策略，即通过固-液-气三相协同反应，在液态金属中实现高导热性二维材料的原位生长。这种方法不仅适用于石墨烯的合成，还可能拓展到其他碳材料或纳米结构的制备。通过将固相催化剂（如CuGa?）引入液态金属基体，可以有效调控反应界面，从而优化材料的性能。这种策略在材料科学领域具有重要意义，因为它提供了一种在不引入额外氧化层的情况下，实现材料性能提升的新途径。

在实验过程中，研究团队采用了多种分析手段，包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）和激光闪射法（LFA），以全面评估所合成材料的结构和性能。这些分析结果不仅验证了石墨烯在液态金属基体中的成功合成，还揭示了其对材料导热性能的显著提升作用。此外，分子动力学（MD）模拟也被用于研究液态金属复合材料中的热传导机制和原子扩散行为，进一步支持了实验结果。

该研究的创新点在于其提出了一种结合化学气相沉积和原位催化反应的新方法，使得在液态金属中合成高质量石墨烯成为可能。这种方法不仅避免了传统物理混合过程中产生的氧化层和金属间化合物，还通过调控反应条件，实现了石墨烯的均匀分布和高效生长。这种策略在未来的材料设计中具有重要的应用价值，尤其是在需要高导热性和良好流变性的场景中。

从应用角度来看，这种基于镓的液态金属复合材料在多个领域展现出潜力。例如，在热管理领域，其高导热性能可以用于高效散热系统，特别是在高功率电子设备和高性能计算系统中。在柔性电子领域，液态金属的可变形特性使其成为理想的导电材料，而石墨烯的引入则进一步提升了其导电和导热性能。在能量转换系统中，液态金属的流动性和导热性可以用于热电材料的优化设计，提高能量转换效率。在电池领域，液态金属的高导电性可以用于开发新型柔性电池，而石墨烯的加入则有助于提升电池的稳定性和循环寿命。在生物医学领域，液态金属的生物相容性和可变形特性使其成为组织工程和可穿戴医疗设备的理想材料。

总的来说，这项研究为基于镓的液态金属复合材料的制备提供了一种全新的思路，通过化学方法实现石墨烯的原位合成，从而有效提升其导热性能和长期稳定性。这种方法不仅克服了传统物理混合方法的局限性，还为未来在多种先进应用中的材料设计提供了理论和技术支持。随着对液态金属复合材料研究的深入，预计会有更多创新性的方法被提出，进一步推动其在实际应用中的发展。