中科院10家石墨烯研究優(yōu)勢單位近兩年的部分研究進展

中科院10家石墨烯研究優(yōu)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(shù)領(lǐng)域的成果引領(lǐng)性、行業(yè)影響力與人才聚集度，推動浙江省石墨烯制造業(yè)創(chuàng)新中心的發(fā)展和國家石墨烯創(chuàng)新中心的創(chuàng)建，2018年6月，中國科學院科技促進發(fā)展局批準依托寧波材料所，聯(lián)合上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、上海硅酸鹽所、重慶綠色智能技術(shù)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(shù)與納米仿生研究所、電工研究所、金屬所等院內(nèi)石墨烯研究優(yōu)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寧波材料技術(shù)與工程研究所召開了第一屆理事會第一次會議。





　　這十家石墨烯研究優(yōu)勢單位近兩年在相關(guān)研究領(lǐng)域有哪些進展？小編對其部分研究做了以下整理。



　　1、寧波材料所在推進石墨烯超級防腐涂層領(lǐng)域取得進展



　　中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進涂料與粘合劑余海斌團隊針對石墨烯/聚合物復合防腐涂層在破損后加速金屬基體腐蝕這一隱患，采用氮化硼納米點（BNNDs）作為商業(yè)化石墨烯的分散劑，利用其原子結(jié)構(gòu)和表面化學性能實現(xiàn)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（如羧基和羥基）。這些親水基團可以在水中進行電離，賦予BNNDs優(yōu)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(yōu)良的防護性能，復合涂層的腐蝕速率相對空白涂層下降了280倍，涂層電阻增加了2個數(shù)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(yè)化石墨烯在防腐領(lǐng)域的應(yīng)用。



　　2、上海微系統(tǒng)所在石墨烯單晶晶圓制備方面取得進展



　　上海微系統(tǒng)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，成功將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。單晶硅是微電子技術(shù)發(fā)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(lǐng)域規(guī)模化應(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。



　　3、上海硅酸鹽所“全太陽光譜增強的三維石墨烯強化黑色二氧化鈦光催化氧化凈水技術(shù)”在滬皖成功示范



　　中國科學院上海硅酸鹽研究所首席研究員黃富強帶領(lǐng)科研團隊歷經(jīng)7年攻關(guān)，成功研發(fā)出治污新材料，該材料由三維石墨烯管和黑色二氧化鈦兩種特殊材料混合而成，太陽光照射2周內(nèi)，可較明顯改善水質(zhì)，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(xiàn)已在上海、安徽等地成功示范。該技術(shù)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(guān)鍵的光生載流子分離和傳導網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)集污染物的高效吸附與可見光響應(yīng)的黑色二氧化鈦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鈦材料，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，所產(chǎn)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(lǐng)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(huán)境的能力，是機器人實現(xiàn)智能化的必備條件。石墨烯新材料的發(fā)展，為下一代高靈敏柔性觸覺技術(shù)的發(fā)展提供了新的解決路徑。重慶研究院微納中心一直致力于二維/三維石墨烯的可控制備技術(shù)及其應(yīng)用研究，前期發(fā)展了三維微納共形石墨烯直接生長與柔性轉(zhuǎn)移技術(shù)（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(xiàn)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(fā)現(xiàn)，微結(jié)構(gòu)化共形石墨烯電極更易獲得電容式力學傳感器中的極板間距和等效介電常數(shù)變化。通過對三維共形石墨烯電極的特征尺寸的可控構(gòu)筑，課題組實現(xiàn)了高靈敏（7.68kPa-1）、快響應(yīng)（30ms）、低檢測極限(1mgF)、低遲滯的柔性電容式觸覺傳感器，主要指標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產(chǎn)生的細微壓力變化，記錄其步態(tài)信息。該傳感器也可以實時監(jiān)測脈搏波分析其脈象，或者通過力反饋輔助機械手實現(xiàn)對物體的智能抓取。與傳統(tǒng)觸覺傳感器相比，該傳感器具有靈敏度高、快響應(yīng)、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(yīng)用領(lǐng)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(jié)構(gòu)單元，具有典型的二維結(jié)構(gòu)，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，而后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(jīng)高溫處理后，碳晶格中的含磷官能團從不穩(wěn)定的C-O-P和C3-P構(gòu)型向穩(wěn)定的C-P-O和C3-P=O構(gòu)型轉(zhuǎn)變。作者結(jié)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(gòu)型中最穩(wěn)定的，它對穩(wěn)定電極/電解液電化學界面起到了最關(guān)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(yīng)用的炭材料表面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)，對于炭材料在儲能、催化和環(huán)保等領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)也具有參考價值。



　　6、大連化物所石墨烯氣凝膠應(yīng)用于鋰硫電池研究獲進展



　　中國科學院大連化學物理研究所二維材料與能源器件創(chuàng)新特區(qū)研究組研究員吳忠?guī)泩F隊開發(fā)出一種三維石墨烯/碳納米管多孔氣凝膠材料，并同時將其應(yīng)用于鋰硫電池的硫單質(zhì)載體和中間層，成功構(gòu)筑出自支撐、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(yōu)異導電性、良好的機械柔性，不僅實現(xiàn)了高的體積硫載量（1.64g/cm3），顯著提高了鋰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(yīng)。在2C的大電流密度的條件下，電池能夠穩(wěn)定循環(huán)500圈，且容量幾乎沒有衰減，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。這種硫單質(zhì)載體和中間層一體化正極結(jié)構(gòu)的設(shè)計策略為構(gòu)建高體積能量密度、長循環(huán)壽命的鋰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(yīng)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(lǐng)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(fā)了一種簡單、快速、高效、低成本制備多孔石墨烯的新方法。結(jié)果表明，通過控制鹽模板的含量可以實現(xiàn)多孔石墨烯孔徑的精確調(diào)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(xiàn)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(lǐng)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(shù)與納米仿生研究所研究員張學同領(lǐng)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，隨后將孔洞氧化石墨烯與還原劑分散液高度濃縮，實現(xiàn)其液晶化，進一步經(jīng)原位溶膠凝膠及超臨界干燥獲得各向異性“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(jīng)有序排列而成，表現(xiàn)出規(guī)整的三維多孔網(wǎng)絡(luò)（規(guī)整的孔道/孔壁及孔壁上的大量微孔）、低密度（42-55mgcm-3）、高導電性（~165Sm-1）、高比表面積（537~837m2g-1）等諸多優(yōu)點。最后將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(gòu)建出可在溫度低至零下40°C的環(huán)境中正常工作的柱狀低溫熱電化學池，表現(xiàn)出低離子傳輸阻力（15.7Ω）及高輸出功率（3.6Wm-2）。當15個熱電化學池進行串聯(lián)組裝成器件時，可實現(xiàn)~2.1V電壓的穩(wěn)定輸出，在低溫能源器件應(yīng)用中表現(xiàn)出重要應(yīng)用前景。



　　9、電工所制備出具有高電位窗口的柔性固態(tài)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復合電極與離子液體凝膠聚合物電解質(zhì)，首次開發(fā)出具有3.5V電壓窗口的高能量密度柔性固態(tài)超級電容器。研究人員通過調(diào)控電極的微觀結(jié)構(gòu)和引入離子液體凝膠電解質(zhì)，成功制備出具有寬電壓窗口的柔性固態(tài)超級電容器，有效提升了器件的能量密度。該研究為今后提高柔性固態(tài)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(tǒng)思路，實現(xiàn)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將石墨插層，然后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，電解水產(chǎn)生的大量高活性氧自由基與石墨反應(yīng)生成了氧化石墨烯。反應(yīng)中硫酸幾乎沒有損耗，也不生成其它物質(zhì)，可被重復用于電化學反應(yīng)。研究還發(fā)現(xiàn)，電解水氧化制備氧化石墨烯的氧化速率比現(xiàn)有方法快100倍以上，而所得材料與現(xiàn)有方法類似，并且易于連續(xù)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(huán)境污染及反應(yīng)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(yè)化應(yīng)用。