锂离子在石墨烯材料中的嵌入脱出机制

采用还原氧化石墨法制备了石墨烯材料, 运用X 射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、充放电、循环伏安和电化学阻抗谱(EIS)等对其结构、表面形貌和电化学嵌锂性能进行了表征. XRD, SEM 和AFM 研究结果表明, 所制备的材料主要为层数少于10 层的石墨烯材料; 充放电结果表明, 石墨烯材料电极具有较高的可逆容量和较好的循环性能, 但也存在较大的首次不可逆容量, 不可逆容量主要归因于首次充放电过程中石墨烯材料表面固体电解质相界面膜(SEI 膜)的形成和充放电循环过程中石墨烯材料的自发堆叠. EIS 结果表明, 石墨烯材料电极表面SEI 膜主要在0.95~0.7 V 之间形成, 测得锂离子在石墨烯材料电极中电化学嵌入反应的对称因子α 为0.446.     

石墨烯/碳纳米管复合材料的制备及其电化学电容性能

以化学气相沉积(CVD)法生长的石墨烯作为基体,采用原位复合方法制备出三维石墨烯/碳纳米管纳米复合材料.使用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对复合材料的微观形貌和结构进行表征,并运用循环伏安、交流阻抗等技术对纳米复合材料的超级电容性能进行研究.实验结果表明,石墨烯/碳纳米管纳米复合材料作为超级电容器电极材料,在1.5 mol/L Li_2SO_4体系中的最大比电容为289.8 F/g,经2000次循环后,其容量保持92%,表现出优异的比容量和循环稳定性.     

石墨烯材料在水处理中的应用:传质机制与吸附特性

石墨烯由于独特的单原子层二维结构和高比表面积等优异性能而被用作选择性分离膜和吸附剂,在水处理领域具有潜在的应用前景.本文综述了石墨烯纳米多孔膜和层状堆叠的氧化石墨烯渗透膜对气体、水及离子的传质行为.纳米多孔膜因其制备技术和不成熟的打孔技术等原因而具有一定局限性;而层状渗透膜由于制备方法简单、成本低、高通透性和高选择性等优点,在水净化领域具有广阔的应用空间.进一步综述了石墨烯吸附材料对水中重金属离子、染料和有机污染物的吸附行为,分析了石墨烯材料表面官能团与污染物的相互作用机理.最后展望了石墨烯材料在膜分离、海水淡化和污染物去除等环境应用中的机遇和挑战.     

Cr3+浓度对钒液流电池正极液的电化学性能影响

电解液组成对钒液流电池(vanadium redox flow batteries,VRB)的电化学性能影响较大.本文采用循环伏安法(cyclic voltammetry,CV)和电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)研究了正极液中Cr3+浓度对V(Ⅴ)/V(Ⅳ)电对的电极过程的影响规律,发现Cr3+没有引发副反应,但影响反应活性、电极反应可逆性、钒离子扩散、界面膜阻抗和电极反应阻抗等电化学性能.实验结果表明,Cr3+在一定浓度范围内可以提高电极反应的可逆性和钒离子扩散,当Cr3+浓度由0增大至0.30g L-1时,V(Ⅴ)/V(Ⅳ)电极反应可逆性增强,同时扩散阻抗降低,钒离子扩散系数由参照溶液中的(5.48~6.77)×10-7增大至(6.82~8.44)×10-7cm2s-1,提高了~24%,但是当浓度大于0.30g L-1时,扩散阻抗增大,扩散系数降低,而界面、液膜和电荷转移等阻抗持续增大.因此,Cr3+在一定浓度范围内可以强化钒离子的扩散与传质过程,但是会增大液膜、界面和电荷转移等阻抗,并且浓度不超过0.10g L-1时对电极反应过程影响不大,浓度不超过0.30g L-1时对钒离子的扩散有利.     

超临界流体协助制备石墨烯及其功能化研究

石墨烯,即单层石墨,具有独特的二维结构和优异的机械、热学以及电学性质,自其被发现以来已引起了众多领域研究者的关注.本文介绍了石墨烯的制备及其功能化的方法,尤其对利用超临界流体辅助的液相剥离法制备石墨烯进行了详细阐述,突出介绍了芘基聚合物、芘基小分子衍生物在超临界二氧化碳辅助条件下剥离制备石墨烯及其功能化研究,并对所制备功能化石墨烯在聚合物基质增强和甲醇燃料电池中的应用研究进行了评述.     

碳纳米管和石墨烯人工肌肉

碳纳米管、石墨烯是近20年崛起,集优异的电学、力学、电化学、电机械等性能于一身的新型纳米材料,在材料、能源、环境、尤其在人工肌肉领域已取得了卓越的进展和成果.人工肌肉是一类能将外部刺激如光、热、电等转换成机械能输出的驱动器.碳纳米管和石墨烯离子型驱动器以其能在较低的电压下,表现出大的弯曲形变和高的空气中循环稳定性,在众多种类的驱动器中成为了科学研究的重点.该驱动器由两电极层以及夹在两电极层之间的聚合物电解质层组成,其致动过程主要受电场下离子在电极层和电解质层中的扩散迁移控制.本文主要综述了碳纳米管和石墨烯作为电极的离子型驱动器工作原理、发展现状;分析了碳纳米管和石墨烯离子型驱动器发展中限制驱动性能进一步提高的几个关键性问题以及遇到的挑战;在此基础上,提出一些具有建设性的方案以及对未来碳纳米管和石墨烯离子型驱动器领域的展望.     

定向多壁碳纳米管的电化学储氢性能

采用定向多壁碳纳米管和非定向碳纳米管混以铜粉制成的电极进行了恒流充放电电化学实验，对其化学储氢性能的检测结果表明，混以铜粉的定向多壁碳纳米管电极的储氢量是石墨电极的10倍，是非定向多壁碳纳米管电极的13倍，比电容量高达1625mA.h/g，对应储氢量为5．7％（质量分数），说明定向多壁碳纳米管具有优异的电化学储氢性能。     

石墨烯场效应晶体管的输运特性

石墨烯场效应晶体管的研究对于摩尔定律的延续具有非常重要的意义.近年来,大面积、高质量石墨烯薄膜制备技术的快速发展,进一步推动了基于石墨烯材料的新型电子器件的研究,引起了集成电路领域研究人员的广泛关注.本文所制备的石墨烯场效应晶体管以ITO为栅电极,Ta_2O_5为栅绝缘层,石墨烯为有源层,Ti/Au双层金属为源漏电极.电学特性测试与分析结果表明,石墨烯与源漏电极形成了良好的欧姆接触.室温下,石墨烯场效应晶体管展示了其特有的双极性特征,空穴迁移率约为2272 cm2/(V s),电流开关比约为6.2.转移特性曲线中出现了明显的滞回现象,且随着栅压扫描范围的增大而越发显著.同时研究了温度对石墨烯场效应晶体管性能的影响,随着温度的升高,狄拉克点电压逐渐向零点方向偏移,滞回现象愈加明显.当温度为75℃时,空穴迁移率与电流开关达到最佳.     

石墨烯在柔性锂离子电池中的应用及前景

随着具有变形功能的移动电子设备的出现和发展,为其供电的可变形、柔性锂离子电池近年来受到广泛关注.柔性锂离子电池一般指具有可逆弹性变形能力,同时可正常工作的锂离子电池.按照变形难易程度,大部分研究中的柔性锂离子电池,均指可弯折柔性锂离子电池.本文总结了石墨烯在可弯折柔性锂离子电池领域的进展情况.石墨烯具有很高的电子电导率,可将石墨烯附着于高分子、纸、纺织布等柔性基底上,利用基底提供柔性支撑、力学性能,石墨烯提供导电网络,形成石墨烯/柔性基体复合结构.利用石墨烯的二维柔性结构及表面官能团,与其他材料复合,能够制备出一体化石墨烯复合柔性电池电极.石墨烯柔性复合材料作为电极时,能够提高电池的整体能量密度,因此具有更广阔的发展前景.本文同时介绍了柔性锂离子电池的力学特性和电化学性能表征方法,并对柔性锂离子电池的未来发展方向进行了预测.柔性锂离子电池发展趋势是提高其变形能力,并赋予柔性锂离子电池一定的可拉伸性能,以使其适应各种复杂应用;新型柔性锂离子电池也将具有自修复和快速充电能力;未来同时将研究喷涂或打印等新型柔性电极的制备和器件优化设计.虽然仍然存在尚待解决的问题,石墨烯柔性锂离子电池经过适当的电化学性能和力学性能改进,将在移动电子领域得到广泛应用.     

三维氧化石墨烯气凝胶高效吸附与可见光光催化去除六价铬

三维气凝胶材料由于具有大比表面积和优异的光学、电学等性能,近年来引起研究者的关注.本研究以氧化石墨烯（graphene oxide,GO）为前驱体,结合交联法与超临界CO₂萃取法制备了三维多孔和易于回收的氧化石墨烯气凝胶（graphene oxide aerosol,GOA）.采用扫描电子显微镜、X-射线衍射仪、拉曼光谱和氮气吸附法对其理化性质进行了表征,考察了其对于六价铬(Cr（Ⅵ）)的吸附和可见光下的光催化还原性能.GOA制备过程中GO被水热还原且基面产生了较多缺陷,三聚氰胺与三聚氰酸作为交联剂增大层间距的同时使GOA拥有大比表面积和丰富的多孔结构.GO、三聚氰胺、三聚氰酸质量比为3:3:3且GO浓度为6 mg L^–1时,获得的样品GOA_333-6的比表面积和缺陷密度最大,且展现出对Cr（Ⅵ）最优的吸附能力和可见光光催化效率.GOA对Cr（Ⅵ）的吸附行为符合拟二阶动力学模型和Langmuir吸附等温模型,说明该吸附过程为单层的化学吸附,其中初始吸附阶段颗粒内扩散是限速步骤.本研究结合了吸附和光催化技术,制备出的GOA...     

石墨烯单晶的可控生长

化学气相沉积(CVD)法作为合成石墨烯的主流方法之一,已在大面积、高质量石墨烯的可控制备领域获得了广泛应用.但由于生长基底形貌和生长过程动力学因素的影响,采用该方法获得的石墨烯一般是由小晶畴石墨烯拼接而成的多晶膜,晶畴之间的晶界会导致其物理化学性质与本征石墨烯有很大差别.完美的单晶内没有晶界,因此石墨烯单晶的性质与其理论预期接近,近年来石墨烯单晶的可控生长已成为一个重要的研究方向.石墨烯单晶的尺寸和形状是影响其性质的2个主要因素,此外,研究石墨烯单晶的大小及形状成因还有助于了解石墨烯单晶的生长机理.本文将介绍CVD法可控制备石墨烯单晶的一些代表性成果,探讨石墨烯单晶的大小和形状成因,简述石墨烯单晶在电子器件上的应用,展望石墨烯单晶可控生长的机遇与挑战.     

Si-TaSi2共晶自生复合场发射材料的组织与性能

采用电子束悬浮区熔(EBFZM)技术制备了Si-TaSi₂共晶自生复合场发射材料, 并系统地对比了Czochralski(CZ)和EBFZM两种不同晶体生长技术所得到的Si-TaSi₂共晶自生复合材料的定向凝固组织特征和场发射性能. 研究表明, EBFZM法由于较高的凝固速率和较高的温度梯度, 使凝固组织明显得到细化, 也就是与CZ法制备的TaSi₂纤维相比, EBFZM技术制备的TaSi₂纤维的直径和纤维平均间距减小, 面密度和体积分数增大. 因此改善了Si-TaSi₂共晶自生复合材料的场发射性能, 表现为较好的场发射均匀性和更平直的F-N曲线.     

三维氧化石墨烯气凝胶高效吸附与可见光光催化去除六价铬

三维气凝胶材料由于具有大比表面积和优异的光学、电学等性能,近年来引起研究者的关注.本研究以氧化石墨烯(graphene oxide,GO)为前驱体,结合交联法与超临界CO2萃取法制备了三维多孔和易于回收的氧化石墨烯气凝胶(graphene oxide aerosol,GOA).采用扫描电子显微镜、X-射线衍射仪、拉曼光...     

用于锂离子电池的石墨烯导电剂:缘起、现状及展望

石墨烯具有很高的电导率及柔性、二维、超薄的结构特性,是兼具"至薄至柔至密"特征、极具潜力的锂离子电池导电剂.使用在锂离子电池中,通过与活性物质"面-点"接触,"至薄至柔"的石墨烯具有非常低的导电阈值——使用量较少时就可以有效提高电极的电子电导率,大幅降低作为非活性物质的导电剂使用量,实现电池活性物质的"至密构建",有效提高电池的体积能量密度.然而,石墨烯的二维平面结构又会对电极内部锂离子的传输产生"位阻效应",影响高倍率条件下锂离子电池性能的发挥.因此,在使用石墨烯导电剂时,需要结合最终锂离子电池设计需求(能量或功率性能优先),综合考虑其对电子/离子传输过程的影响,提出石墨烯导电剂的设计方案.本文从石墨烯及其用作导电剂的特点、影响石墨烯导电剂使用的关键因素等方面出发,详细评述了石墨烯导电剂的应用缘起和研究现状,并对石墨烯的未来应用趋势和产业化前景进行了展望.     

基于PECVD技术的石墨烯可控制备与应用:现状与展望

石墨烯因其优异的物理/化学特性,在众多领域有着广泛的应用前景.为了推动石墨烯材料的实际应用,需要寻找稳定可靠、可扩展和低成本的石墨烯材料制备方法.等离子体增强化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)技术是一种借助外加能量辅助反应前驱体裂解产生等离子体,进而实现石墨烯制备的方法. PECVD技术在沿袭了传统化学气相沉积法工艺产物设计性强、反应途径灵活、可批量化、高品质制备石墨烯等优点的基础上,可以实现石墨烯在更低的生长温度、更多样化的生长衬底上以更快的生长速度制备合成,从而能够有效降低能耗,提高制备效率,拓展石墨烯的应用场景.本文综述了近年来利用不同等离子体源(射频、直流和微波)PECVD技术制备石墨烯的研究进展,讨论了其生长机理,以及PECVD制备石墨烯在储能、器件散热和光热转化等相关领域的应用,进一步对PECVD技术在石墨烯制备和应用中面临的挑战和未来的发展前景进行了总结.     

绝缘衬底上石墨烯的化学气相沉积制备与器件应用

石墨烯作为一种拥有优异性能的二维晶体材料,其制备方法与潜在应用在最近几年内得到了广泛研究.与现有半导体硅工艺相匹配的化学气相沉积方法因其能够以低成本大规模制备高质量石墨烯,逐渐成为工业化大规模制备石墨烯的首选技术.然而,金属上通过化学气相沉积生长的石墨烯需要转移到绝缘衬底上才可以用于器件制备、电学性能表征等后期工作,而目前的转移技术无法避免对石墨烯的质量造成影响.如果在绝缘衬底表面直接生长石墨烯将有效避免石墨烯的转移工艺,从而有望在目标绝缘衬底上直接获得大面积高质量石墨烯.本文系统性介绍了近几年来绝缘衬底上生长石墨烯的相关研究进展,总结并展望了绝缘衬底上石墨烯生长、应用的发展前景与需要攻克的难题.     

空心上转换纳米结构的可控制备、荧光增强效应与应用

上转换发光材料具有光稳定性好、荧光寿命长、斯托克斯位移大、发射带宽窄等优点,其广泛地应用在激光、显示、防伪、生物医学等领域.空心结构具有有效密度低、担载量大、壳层数目与壳层间距可调等特点,同时空心结构能够对光进行多级反射、提高光的利用率、实现电场密度再分布等.因此,制备镧系离子掺杂的空心结构上转换发光材料,探究制备机理、空心结构与发光增强的构效关系以及应用具有重要意义.空心结构的制备方法包括:硬模板、软模板、自模板等.鉴于碳球硬模板法的普适性以及可控性,因此碳球硬模板法是比较常用的方法.对近年来碳球硬模板法等在制备镧系离子掺杂的空心结构方面取得的成果进行介绍,讨论了空心结构与上转换发光性能增强的机制.上转换发光性能增强源于激发光的多级反射导致的高的激发光的捕获率,反射与散射共同作用诱导的强化电场密度以及等离子体共振作用导致的辐射效率增强.最后就空心结构的上转换发光材料的应用、挑战与未来的发展方向进行了分析与展望.     

封面说明

<正>微流体燃料电池利用燃料和氧化剂在微通道内形成的平行层流流动来分隔阴阳极,去除了质子交换膜及其相关的成本高、膜降解老化等问题,是一种极具前景的微型电源技术.采用碳毡作为三维多孔可渗透阳极来增加比表面积、强化反应物的传输,是提高电池性能的有效手段.通过对采用碳毡和碳纸制备的电极进行扫描电子显微镜图片分析,发现了碳毡电极较大的孔隙率使得传质     

具有松动约束悬臂输液管的三维非线性振动

输液管动力学是流固耦合振动力学研究的重要问题之一.悬臂输液管的二维平面振动已经得到较多的研究,但其三维非平面振动,特别是在非线性碰撞约束力下的动力学问题,已有的工作还很少.考虑松动约束及其摩擦力对悬臂输液管的三维非线性振动的影响,建立了系统的非平面动力学控制方程.基于Galerkin法离散后的动力学方程组,研究了内流激励下悬臂管与松动约束的碰撞振动问题,着重分析了输液管在两个垂直坐标方向上的非线性振动行为,以及摩擦系数的大小对管道动力学行为的影响.研究结果表明,松动约束产生的碰撞力可使管道的动态响应行为发生很大变化,在某些流速情形下管道可出现三维概周期运动,流速对管道发生二维周期运动所在平面的方位也有较大影响.对较小的内流速度,管道与约束间的摩擦力对其动力学响应影响较小;对较大的内流速度,摩擦力对管道平面运动的轨迹有一定影响.     

聚合物基固体电解质研究进展

聚合物基固体电解质在高能量密度和高安全性固态电池领域具有良好的应用前景.然而,现有的聚合物基固体电解质在应用时仍然面临室温离子电导率低、电解质/电极界面接触差、电化学窗口窄等严峻挑战.本文从聚合物基固体电解质离子电导率的提升和界面性能的改善出发,重点阐述聚合物基固体电解质的发展现状及优化策略.首先,从两个方面总结了聚合物基固体电解质离子电导率的定向优化策略:构建连续、定向取向的离子传输路径和缩短离子传输距离;其次,总结了聚合物基固体电解质/电极之间的界面优化策略:构建润湿界面和制作非对称电解质,以降低电解质/电极的界面电阻,提升电解质/电极的界面相容性;最后,对聚合物基固体电解质和固态电池的发展前景进行了展望,并提出了该领域的重点发展方向以及先进的分析测试方法,为聚合物基固体电解质的研究和发展提供全面的了解和深入的指导.