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中科院10家石墨烯研究优势单位近两年的部分研究进展

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  为进一步提升中国科学院在石墨烯技术领域的成果引领性、行业影响力与人才聚集度,推动浙江省石墨烯制造业创新中心的发展和国家石墨烯创新中心的创建,2018年6月,中国科学院科技促进发展局批准依托宁波材料所,联合上海微系统与信息技术研究所、上海硅酸盐所、重庆绿色智能技术研究院、山西煤炭化学研究所、大连化学物理研究所、兰州化学物理研究所、苏州纳米技术与纳米仿生研究所、电工研究所、金属所等院内石墨烯研究优势单位共建中科院石墨烯工程实验室。2019年6月29日,该工程实验室在中科院宁波材料技术与工程研究所召开了第一届理事会第一次会议。



  这十家石墨烯研究优势单位近两年在相关研究领域有哪些进展?小编对其部分研究做了以下整理。


  1、宁波材料所在推进石墨烯超级防腐涂层领域取得进展


  中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进涂料与粘合剂余海斌团队针对石墨烯/聚合物复合防腐涂层在破损后加速金属基体腐蚀这一隐患,采用氮化硼纳米点(BNNDs)作为商业化石墨烯的分散剂,利用其原子结构和表面化学性能实现其在聚合物中的均匀分散。通过化学方法获得的BNNDs通常含有丰富的亲水基团(如羧基和羟基)。这些亲水基团可以在水中进行电离,赋予BNNDs优异的溶解性。BNNDs被认为是单层或半层绝缘氮化硼纳米片,横向尺寸小于50nm。BNNDs通过强烈的π-π作用吸附于石墨烯表面,以增加其分散性。同时,BNNDs的存在屏蔽了石墨烯的导电特性,有效抑制了其阴极腐蚀促进活性。电化学测试表明,BNNDs改性的石墨烯材料具有优良的防护性能,复合涂层的腐蚀速率相对空白涂层下降了280倍,涂层电阻增加了2个数量级。鉴于BNNDs不会影响石墨烯的本征特性,因此,BNNDs分散石墨烯有望快速推进商业化石墨烯在防腐领域的应用。


  2、上海微系统所在石墨烯单晶晶圆制备方面取得进展


  上海微系统所研究团队采用蓝宝石作为衬底成功制备出具有更强催化能力的铜镍(111)单晶薄膜,成功将外延生长石墨烯单晶的生长温度从1000℃降低到750℃。制备的6英寸石墨烯单晶薄膜无褶皱,无颗粒污染,电学性能可以与高温条件下得到的石墨烯相媲美。单晶硅是微电子技术发展的基石,而单晶石墨烯晶圆的批量化制备则是其在电子学领域规模化应用的前提。通过低温外延制备晶圆级石墨烯单晶对于推动石墨烯在电子学领域的应用具有重要意义。


  3、上海硅酸盐所“全太阳光谱增强的三维石墨烯强化黑色二氧化钛光催化氧化净水技术”在沪皖成功示范


  中国科学院上海硅酸盐研究所首席研究员黄富强带领科研团队历经7年攻关,成功研发出治污新材料,该材料由三维石墨烯管和黑色二氧化钛两种特殊材料混合而成,太阳光照射2周内,可较明显改善水质,帮助污水变清。部分成果于2018年初获得“国家自然科学奖”二等奖,现已在上海、安徽等地成功示范。该技术的治污原理是“物理吸附+光化学催化降解”。三维石墨烯管作为关键的光生载流子分离和传导网络,实现集污染物的高效吸附与可见光响应的黑色二氧化钛原位降解一体化的突出功效,新型三维石墨烯强化黑色二氧化钛材料,拥有对某些有机污染物1000倍自身重量的超强吸附性能、可吸收高达90-95%的全太阳光谱,所产生氧化力极强的自由基能把捕获来的有机污染物高效氧化分解为水、二氧化碳。


  4、重庆研究院在高灵敏石墨烯触觉传感领域取得进展


  柔性触觉传感器为机器人提供感知外部力学环境的能力,是机器人实现智能化的必备条件。石墨烯新材料的发展,为下一代高灵敏柔性触觉技术的发展提供了新的解决路径。重庆研究院微纳中心一直致力于二维/三维石墨烯的可控制备技术及其应用研究,前期发展了三维微纳共形石墨烯直接生长与柔性转移技术(J.Mater.Chem.C,2015,3,12379~12384),三维共形石墨烯薄膜不仅具有高导电性,而且表现出高力学可靠性,是柔性电极的理想材料。近期,研究人员通过有限元仿真分析发现,微结构化共形石墨烯电极更易获得电容式力学传感器中的极板间距和等效介电常数变化。通过对三维共形石墨烯电极的特征尺寸的可控构筑,课题组实现了高灵敏(7.68kPa-1)、快响应(30ms)、低检测极限(1mgF)、低迟滞的柔性电容式触觉传感器,主要指标已超越了人类触觉感知水平。


  该触觉传感器可以感知昆虫爬行过程中产生的细微压力变化,记录其步态信息。该传感器也可以实时监测脉搏波分析其脉象,或者通过力反馈辅助机械手实现对物体的智能抓取。与传统触觉传感器相比,该传感器具有灵敏度高、快响应、柔性、轻薄、可分布式贴附等特性,能够更好地与机器人的异形曲面进行贴合,赋予机器人以触觉功能,从而极大拓展机器人的智能化和应用领域。


  5、山西煤化所在磷掺杂炭材料表面化学研究方面取得进展


  石墨烯作为炭材料的基本结构单元,具有典型的二维结构,中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛团队以其为简化的研究模型,探究了炭材料表面磷物种的掺杂、演变及作用机制。作者以部分热还原的氧化石墨烯为原料,先通过H3PO4进行高温活化,而后在高温惰性气氛下作钝化处理,得到一系列磷杂石墨烯样本。研究表明,经高温处理后,碳晶格中的含磷官能团从不稳定的C-O-P和C3-P构型向稳定的C-P-O和C3-P=O构型转变。作者结合第一性原理计算,进一步证明了C3-P=O是石墨烯晶格上所有磷构型中最稳定的,它对稳定电极/电解液电化学界面起到了最关键的作用。因此,掺磷石墨烯在水系电解液中的电压窗口可从1.0V扩展到1.5V,且自放电和漏电流被明显抑制。该工作为面向应用的炭材料表面结构设计提供了理论依据,对于炭材料在储能、催化和环保等领域的应用开发也具有参考价值。


  6、大连化物所石墨烯气凝胶应用于锂硫电池研究获进展


  中国科学院大连化学物理研究所二维材料与能源器件创新特区研究组研究员吴忠帅团队开发出一种三维石墨烯/碳纳米管多孔气凝胶材料,并同时将其应用于锂硫电池的硫单质载体和中间层,成功构筑出自支撑、无金属集流体的一体化正极材料。该一体化正极材料具有高的压实密度、优异导电性、良好的机械柔性,不仅实现了高的体积硫载量(1.64g/cm3),显著提高了锂硫电池的体积能量密度(1615Ah/L),而且有效地抑制了多硫化物穿梭的效应。在2C的大电流密度的条件下,电池能够稳定循环500圈,且容量几乎没有衰减,表现出优异的循环稳定性。这种硫单质载体和中间层一体化正极结构的设计策略为构建高体积能量密度、长循环寿命的锂硫电池提供了新的思路。


  7、兰州化物所在多孔石墨烯的制备及应用方面取得系列进展


  中国科学院兰州化学物理研究所研究员邱洪灯带领的手性分离与微纳分析课题组率先利用水滑层不完全覆盖氧化石墨烯部分燃烧策略,开发了一种简单、快速、高效、低成本制备多孔石墨烯的新方法。结果表明,通过控制盐模板的含量可以实现多孔石墨烯孔径的精确调控。此外,研究人员还通过真空抽滤法制备出多孔石墨烯分离膜,实现了钠、钾离子的高选择性分离。


  8、苏州纳米所等在石墨烯气凝胶领域取得进展


  针对石墨烯气凝胶目前存在的问题,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张学同领导的气凝胶团队通过“局部氧化刻蚀”在氧化石墨烯片层上进行造孔,获得孔洞氧化石墨烯,随后将孔洞氧化石墨烯与还原剂分散液高度浓缩,实现其液晶化,进一步经原位溶胶凝胶及超临界干燥获得各向异性“孔洞石墨烯”气凝胶,如图所示。所得各向异性“孔洞石墨烯”气凝胶由孔洞石墨烯片层经有序排列而成,表现出规整的三维多孔网络(规整的孔道/孔壁及孔壁上的大量微孔)、低密度(42-55mgcm-3)、高导电性(~165Sm-1)、高比表面积(537~837m2g-1)等诸多优点。最后将该气凝胶作为电极材料,辅以共晶混合物“水-甲酰胺”作为低温电解液,构建出可在温度低至零下40°C的环境中正常工作的柱状低温热电化学池,表现出低离子传输阻力(15.7Ω)及高输出功率(3.6Wm-2)。当15个热电化学池进行串联组装成器件时,可实现~2.1V电压的稳定输出,在低温能源器件应用中表现出重要应用前景。


  9、电工所制备出具有高电位窗口的柔性固态超级电容器


  中国科学院电工研究所超导与能源新材料研究部马衍伟课题组采用多级次石墨烯复合电极与离子液体凝胶聚合物电解质,首次开发出具有3.5V电压窗口的高能量密度柔性固态超级电容器。研究人员通过调控电极的微观结构和引入离子液体凝胶电解质,成功制备出具有宽电压窗口的柔性固态超级电容器,有效提升了器件的能量密度。该研究为今后提高柔性固态超级电容器的能量密度提供了一种有效策略。


  10、金属所提出氧化石墨烯绿色制备方法


  中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心先进炭材料研究部提出了一种电解水氧化的新方法,打破了150多年来通过强氧化剂对石墨进行氧化的传统思路,实现了氧化石墨烯的安全、绿色、超快制备。该方法首先在浓硫酸中将石墨插层,然后在稀硫酸中对插层石墨进行氧化。氧同位素示踪和自由基捕获实验表明,氧化石墨烯中的氧元素主要来源于电解液中的水,电解水产生的大量高活性氧自由基与石墨反应生成了氧化石墨烯。反应中硫酸几乎没有损耗,也不生成其它物质,可被重复用于电化学反应。研究还发现,电解水氧化制备氧化石墨烯的氧化速率比现有方法快100倍以上,而所得材料与现有方法类似,并且易于连续化制备。该方法有效解决了氧化石墨烯制备长期面临的爆炸危险、环境污染及反应周期长的问题,有望大幅降低制备成本,促进氧化石墨烯的工业化应用。


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