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中科院10家石墨烯研究優勢單位近兩年的部分研究進展

為進一步提升中國科學院在石墨烯技術領域的成果引領性、行業影響力與人才聚集度,推動浙江省石墨烯制造業創新中心的發展和國家石墨烯創新中心的創建,2018年6月,中國科學院科技促進發展局批準依托甯波材料所,聯合上海微系統與信息技術研究所、上海矽酸鹽所、重慶綠色智能技術研究院、山西煤炭化學研究所、大連化學物理研究所、蘭州化學物理研究所、蘇州納米技術與納米仿生研究所、電工研究所、金屬所等院内石墨烯研究優勢單位共建中科院石墨烯工程實驗室。2019年6月29日,該工程實驗室在中科院甯波材料技術與工程研究所召開了第一屆理事會第一次會議。

中科院10家石墨烯研究優勢單位近兩年的部分研究進展(來源:甯波材料技術與工程研究所新聞中心)

這十家石墨烯研究優勢單位近兩年在相關研究領域進展如下:

1、甯波材料所在推進石墨烯超級防腐塗層領域取得進展

中國科學院甯波材料技術與工程研究所先進塗料與粘合劑餘海斌團隊針對石墨烯/聚合物複合防腐塗層在破損後加速金屬基體腐蝕這一隐患,采用氮化硼納米點(BNNDs)作為商業化石墨烯的分散劑,利用其原子結構和表面化學性能實現其在聚合物中的均勻分散。通過化學方法獲得的BNNDs通常含有豐富的親水基團(如羧基和羟基)。這些親水基團可以在水中進行電離,賦予BNNDs優異的溶解性。BNNDs被認為是單層或半層絕緣氮化硼納米片,橫向尺寸小于50nm。BNNDs通過強烈的π-π作用吸附于石墨烯表面,以增加其分散性。同時,BNNDs的存在屏蔽了石墨烯的導電特性,有效抑制了其陰極腐蝕促進活性。電化學測試表明,BNNDs改性的石墨烯材料具有優良的防護性能,複合塗層的腐蝕速率相對空白塗層下降了280倍,塗層電阻增加了2個數量級。鑒于BNNDs不會影響石墨烯的本征特性,因此,BNNDs分散石墨烯有望快速推進商業化石墨烯在防腐領域的應用。

2、上海微系統所在石墨烯單晶晶圓制備方面取得進展

上海微系統所研究團隊采用藍寶石作為襯底成功制備出具有更強催化能力的銅鎳(111)單晶薄膜,成功将外延生長石墨烯單晶的生長溫度從1000℃ 降低到750℃。制備的6英寸石墨烯單晶薄膜無褶皺,無顆粒污染,電學性能可以與高溫條件下得到的石墨烯相媲美。單晶矽是微電子技術發展的基石,而單晶石墨烯晶圓的批量化制備則是其在電子學領域規模化應用的前提。通過低溫外延制備晶圓級石墨烯單晶對于推動石墨烯在電子學領域的應用具有重要意義。

3、上海矽酸鹽所“全太陽光譜增強的三維石墨烯強化黑色二氧化钛光催化氧化淨水技術”在滬皖成功示範

中國科學院上海矽酸鹽研究所首席研究員黃富強帶領科研團隊曆經7年攻關,成功研發出治污新材料,該材料由三維石墨烯管和黑色二氧化钛兩種特殊材料混合而成,太陽光照射2周内,可較明顯改善水質,幫助污水變清。部分成果于2018年初獲得“國家自然科學獎”二等獎,現已在上海、安徽等地成功示範。該技術的治污原理是“物理吸附+光化學催化降解”。三維石墨烯管作為關鍵的光生載流子分離和傳導網絡,實現集污染物的高效吸附與可見光響應的黑色二氧化钛原位降解一體化的突出功效,新型三維石墨烯強化黑色二氧化钛材料,擁有對某些有機污染物1000倍自身重量的超強吸附性能、可吸收高達90-95%的全太陽光譜,所産生氧化力極強的自由基能把捕獲來的有機污染物高效氧化分解為水、二氧化碳。

4、重慶研究院在高靈敏石墨烯觸覺傳感領域取得進展

柔性觸覺傳感器為機器人提供感知外部力學環境的能力,是機器人實現智能化的必備條件。石墨烯新材料的發展,為下一代高靈敏柔性觸覺技術的發展提供了新的解決路徑。重慶研究院微納中心一直緻力于二維/三維石墨烯的可控制備技術及其應用研究,前期發展了三維微納共形石墨烯直接生長與柔性轉移技術(J. Mater. Chem. C, 2015, 3, 12379~12384),三維共形石墨烯薄膜不僅具有高導電性,而且表現出高力學可靠性,是柔性電極的理想材料。近期,研究人員通過有限元仿真分析發現,微結構化共形石墨烯電極更易獲得電容式力學傳感器中的極闆間距和等效介電常數變化。通過對三維共形石墨烯電極的特征尺寸的可控構築,課題組實現了高靈敏(7.68kPa-1)、快響應(30ms)、低檢測極限(1mgF)、低遲滞的柔性電容式觸覺傳感器,主要指标已超越了人類觸覺感知水平。

該觸覺傳感器可以感知昆蟲爬行過程中産生的細微壓力變化,記錄其步态信息。該傳感器也可以實時監測脈搏波分析其脈象,或者通過力反饋輔助機械手實現對物體的智能抓取。與傳統觸覺傳感器相比,該傳感器具有靈敏度高、快響應、柔性、輕薄、可分布式貼附等特性,能夠更好地與機器人的異形曲面進行貼合,賦予機器人以觸覺功能,從而極大拓展機器人的智能化和應用領域。

5、山西煤化所在磷摻雜炭材料表面化學研究方面取得進展

石墨烯作為炭材料的基本結構單元,具有典型的二維結構,中國科學院山西煤炭化學研究所陳成猛團隊以其為簡化的研究模型,探究了炭材料表面磷物種的摻雜、演變及作用機制。作者以部分熱還原的氧化石墨烯為原料,先通過H3PO4進行高溫活化,而後在高溫惰性氣氛下作鈍化處理,得到一系列磷雜石墨烯樣本。研究表明,經高溫處理後,碳晶格中的含磷官能團從不穩定的C-O-P和C3-P構型向穩定的C-P-O和C3-P=O構型轉變。作者結合第一性原理計算,進一步證明了C3-P=O是石墨烯晶格上所有磷構型中最穩定的,它對穩定電極/電解液電化學界面起到了最關鍵的作用。因此,摻磷石墨烯在水系電解液中的電壓窗口可從1.0V擴展到1.5V,且自放電和漏電流被明顯抑制。該工作為面向應用的炭材料表面結構設計提供了理論依據,對于炭材料在儲能、催化和環保等領域的應用開發也具有參考價值。

6、大連化物所石墨烯氣凝膠應用于锂硫電池研究獲進展

中國科學院大連化學物理研究所二維材料與能源器件創新特區研究組研究員吳忠帥團隊開發出一種三維石墨烯/碳納米管多孔氣凝膠材料,并同時将其應用于锂硫電池的硫單質載體和中間層,成功構築出自支撐、無金屬集流體的一體化正極材料。該一體化正極材料具有高的壓實密度、優異導電性、良好的機械柔性,不僅實現了高的體積硫載量(1.64g/cm3),顯著提高了锂硫電池的體積能量密度(1615Ah/L),而且有效地抑制了多硫化物穿梭的效應。在2C的大電流密度的條件下,電池能夠穩定循環500圈,且容量幾乎沒有衰減,表現出優異的循環穩定性。這種硫單質載體和中間層一體化正極結構的設計策略為構建高體積能量密度、長循環壽命的锂硫電池提供了新的思路。

7、蘭州化物所在多孔石墨烯的制備及應用方面取得系列進展

中國科學院蘭州化學物理研究所研究員邱洪燈帶領的手性分離與微納分析課題組率先利用水滑層不完全覆蓋氧化石墨烯部分燃燒策略,開發了一種簡單、快速、高效、低成本制備多孔石墨烯的新方法。結果表明,通過控制鹽模闆的含量可以實現多孔石墨烯孔徑的精确調控。此外,研究人員還通過真空抽濾法制備出多孔石墨烯分離膜,實現了鈉、鉀離子的高選擇性分離。

8、蘇州納米所等在石墨烯氣凝膠領域取得進展

針對石墨烯氣凝膠目前存在的問題,中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張學同領導的氣凝膠團隊通過“局部氧化刻蝕”在氧化石墨烯片層上進行造孔,獲得孔洞氧化石墨烯,随後将孔洞氧化石墨烯與還原劑分散液高度濃縮,實現其液晶化,進一步經原位溶膠凝膠及超臨界幹燥獲得各向異性“孔洞石墨烯”氣凝膠,如圖所示。所得各向異性“孔洞石墨烯”氣凝膠由孔洞石墨烯片層經有序排列而成,表現出規整的三維多孔網絡(規整的孔道/孔壁及孔壁上的大量微孔)、低密度(42-55 mg cm-3)、高導電性(~165 S m-1)、高比表面積(537~837 m2 g-1)等諸多優點。最後将該氣凝膠作為電極材料,輔以共晶混合物“水-甲酰胺”作為低溫電解液,構建出可在溫度低至零下40°C的環境中正常工作的柱狀低溫熱電化學池,表現出低離子傳輸阻力(15.7 Ω)及高輸出功率(3.6 W m-2)。當15個熱電化學池進行串聯組裝成器件時,可實現~2.1 V電壓的穩定輸出,在低溫能源器件應用中表現出重要應用前景。

9、電工所制備出具有高電位窗口的柔性固态超級電容器

中國科學院電工研究所超導與能源新材料研究部馬衍偉課題組采用多級次石墨烯複合電極與離子液體凝膠聚合物電解質,首次開發出具有3.5V電壓窗口的高能量密度柔性固态超級電容器。研究人員通過調控電極的微觀結構和引入離子液體凝膠電解質,成功制備出具有寬電壓窗口的柔性固态超級電容器,有效提升了器件的能量密度。該研究為今後提高柔性固态超級電容器的能量密度提供了一種有效策略。

10、金屬所提出氧化石墨烯綠色制備方法

中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心先進炭材料研究部提出了一種電解水氧化的新方法,打破了150多年來通過強氧化劑對石墨進行氧化的傳統思路,實現了氧化石墨烯的安全、綠色、超快制備。該方法首先在濃硫酸中将石墨插層,然後在稀硫酸中對插層石墨進行氧化。氧同位素示蹤和自由基捕獲實驗表明,氧化石墨烯中的氧元素主要來源于電解液中的水,電解水産生的大量高活性氧自由基與石墨反應生成了氧化石墨烯。反應中硫酸幾乎沒有損耗,也不生成其它物質,可被重複用于電化學反應。研究還發現,電解水氧化制備氧化石墨烯的氧化速率比現有方法快100倍以上,而所得材料與現有方法類似,并且易于連續化制備。該方法有效解決了氧化石墨烯制備長期面臨的爆炸危險、環境污染及反應周期長的問題,有望大幅降低制備成本,促進氧化石墨烯的工業化應用。

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