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年中盘点|石墨烯前沿综述精选


来源:中国粉体网   三昧

[导读]  石墨烯前沿综述精选。

中国粉体网讯


崔屹ACS Nano: 基于氧化石墨烯电极去除和回收水中重金属


斯坦福大学崔屹教授报道了一种直流(DC)/交流(AC)电化学方法来处理高浓度和低浓度的重金属污染的方法,其中采用DC电化学方法可以从使用点水中去除低浓度重金属离子,而采用AC电化学方法能够从工业废水中回收高浓度重金属离子。


与使用相同的氧化石墨烯电极的吸附相比,电化学沉积方法具有高出2个数量级的容量,因而DC/AC电化学方法在使用点水处理和工业废物重金属回收方面都表现出高效率。该成果以题为" Direct/Alternating Current Electrochemical Method for Removing and Recovering Heavy Metal from Water Using Graphene Oxide Electrode "发表在国际著名期刊ACS Nano上。


二元石墨烯结构:编织结实高效的海水淡化膜


武汉大学/湖南大学袁荃和美国加州大学洛杉矶分校段镶锋等人在《科学》上发表文章,介绍了该课题组制作的石墨烯纳米筛和碳纳米管相结合的二元结构石墨烯薄膜,该薄膜兼具前者的选择性分离效率和后者的强度优势。


袁荃等这次制成的新型石墨烯纳米筛/碳纳米管薄膜不需要聚合物支撑就结实耐用,并兼具多种渗透效率优点,为石墨烯应用于海水淡化打开了一条新的思路。若解决量产问题,未来人们或将能喝上“石墨烯淡化水”。


介电衬底长出“高”“大”石墨烯


顾长志课题组在国际上首次提出并利用“插层法”实现原位、无损地将Si、Ge、Mg、Hf等几种材料插入石墨烯与金属的界面之间,并克服重重困难对插层结构进行原位氧化,经过无数次实验摸索,终于获得高绝缘性的介电插层,实现了介电衬底上高质量、大面积的石墨烯材料生长。同时,通过石墨烯量子器件的加工印证了介电插层的有效性,引起了国际同行的关注与好评。


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(图1)。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(图2)。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。


图1(a)BNNDs在石墨烯表面的沉积过程,(b)BNNDs@GNs复合片,(c)BNNDs及石墨烯的分散行为,(d)改性石墨烯聚合物涂层的屏蔽性



 

图2 不同涂层体系的腐蚀机理:(a)纯环氧涂层,(b-e)改性前后的石墨烯/环氧涂层


研究发现石墨烯-生物膜超级结构及递药新模式


中国科学院过程工程研究所与清华大学合作证明了二维材料氧化石墨烯能够与细胞膜形成三明治超级结构,并实现药物在膜磷脂层内的有效运输,开辟了药物精准递送新模式,为生物医药全新剂型的设计和新型纳米粒子的应用提供了方向。


 

墨烯-生物膜“三明治”超级结构及其在药物递送中的潜在应用。(左)模拟图;(中)冷冻透射照片;(右)膜间递送药物(GO-VTB)的优势结果


重庆研究院在高灵敏石墨烯触觉传感领域取得进展


中国科学院重庆绿色智能技术研究院与新加坡国立大学合作,研制了三维微纳共形石墨烯柔性力敏电极,并应用于高灵敏柔性压容式触觉传感,相关内容以Flexible, Tunable and Ultrasensitive Capacitive Pressure Sensor with Micro-Conformal Graphene Electrodes 为题发表在ACS Applied Materials & Interface 期刊上,并被选为封面论文进行报道(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11 (16), pp 14997–15006. DOI: 10.1021/acsami.9b02049)。


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(42-55 mg cm-3)、高导电性(~165 S m-1)、高比表面积(537~837 m2 g-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(15.7 Ω)及高输出功率(3.6 W m-2)。当15个热电化学池进行串联组装成器件时,可实现~2.1 V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。


 

图:各向异性“孔洞石墨烯”气凝胶基本表征:氧化石墨烯片层的透射电镜照片(a1)及氧化石墨烯液晶的偏光显微镜照片(b1),孔洞氧化石墨烯片层的透射电镜照片(a2)及氧化石墨烯液晶的偏光显微镜照片(b2),氧化石墨烯及孔洞氧化石墨烯片层的拉曼光谱(c),各向异性“孔洞石墨烯”气凝胶的光学照片(d)、扫描电镜照片(e,f)、力学(g)、电学(h)及比表面积数据(i)。


上海微系统所在石墨烯单晶晶圆制备方面取得进展


中国科学院上海微系统与信息技术研究所石墨烯单晶晶圆研究取得新进展。信息功能材料国家重点实验室研究员谢晓明领导的石墨烯研究团队首次在较低温度(750℃)条件下采用化学气相沉积外延成功制备6英寸无褶皱高质量石墨烯单晶晶圆。研究论文于4月4日在Small上在线发表(X.F. Zhang, et al, Epitaxial Growth of 6 in. Single-Crystalline Graphene on a Cu/Ni (111) Film at 750 °C via Chemical Vapor Deposition, DOI: 10.1002/smll.2018053)。


 

左图:石墨烯单晶晶圆生长设计及实验结果;右图:低温制备的6英寸石墨烯单晶晶圆


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。


部分燃烧法制备多孔石墨烯


此外,通过上述方法制备的多孔石墨烯固载到多孔硅胶表面,成功制备出多孔石墨烯修饰的液相色谱固定相,并对其亲水色谱性能进行了研究;研究人员制备出磁性的多孔石墨烯复合材料;还采用该方法制备出多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料以及单纯的氧化亚铜纳米立方体;制备了多孔石墨烯/氧化锌纳米复合材料和单一氧化锌纳米颗粒,并对该材料在光催化降解染料方面的性能进行了研究。


 

多孔石墨烯/氧化亚铜复合材料用于NADH的检测


我国科学家制备出单层石墨烯纳米带


天津大学封伟教授团队通过含氟自由基切割单壁碳纳米管,在世界范围内首次制备出单层石墨烯纳米带,所申请的国际专利也获得授权。这是中国科学家首次通过一步法获得单层石墨烯纳米带,其作为原电池正极材料能量密度较进口产品可提升30%。


Small:球磨剥离石墨烯的可控电化学及传感应用


 


华中科技大学化学与化工学院吴康兵教授和湖北大学材料科学与工程学院吴灿副教授合作发表了署名文章(Small,2019,1805567),提出了一种简单制备高品质石墨烯的方法,并深入探讨了球磨时间(0 – 16 h)对所得石墨烯纳米片结构和电化学性能的影响规律。研究者相信,此项工作丰富了石墨烯纳米片材料电化学性能调控研究领域,为进一步拓展石墨烯的电化学构效关系研究打下了基础,并丰富了其在电化学传感方面的内涵。


Small Methods:面向能源领域的石墨烯可控生长和结构调控


 


中国科学院化学研究所于贵研究员课题组在Small Methods上发表了题为“Recent Advances in Growth and Modification of Graphene〣ased Energy Materials: From Chemical Vapor Deposition to Reduction of Graphene Oxide”的综述文章,系统分析了近年来化学气相沉积法和氧化还原法制备的石墨烯运用在不同能源器件中(太阳能电池、锂离子电池、超级电容器以及电催化水分解)的性能差异。

 

Nanoscale :石墨烯探测器助力肺癌的早期诊断


来自埃克塞特大学的一组科学家开发出一种新技术,可以创建一种高灵敏度的石墨烯生物传感器,能够检测最常见的肺癌生物标志物分子。


新的生物传感器设计可以彻底改变现有的电子鼻(电子鼻)装置,识别特定蒸汽混合物的特定成分 - 例如人的呼吸 - 并分析其化学成分以确定原因。


英国萨里大学研发石墨烯-碳纳米管新型防护方法


在知名学术期刊《Carbon》上发表的一篇论文中,来自英国萨里大学的研究人员详细介绍了他们使用保护层覆盖碳纳米管催化剂的新方法,该保护层的加入不会影响碳元素扩散,因此可用于保护催化剂免受环境污染,同时保护碳纳米管催化剂功能。该技术可允许催化剂被运输、储存或精确计量以备将来使用。


信息来源:烯碳资讯、中国科学报、宁波材料技术与工程研究所、过程工程研究所、重庆绿色智能技术研究院、苏州纳米技术与纳米仿生研究所、上海微系统与信息技术研究所、兰州化学物理研究所、科技日报、materials views china、生物谷、航空工业信息网


(中国粉体网编辑整理/三昧)

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