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.     

用于电化学执行器的非金属电极材料研究进展

电化学执行器能够有效地将电能或化学能转化为机械能,在人造肌肉、仿生机器人和小型化医疗设备等领域中具有极大的应用前景.电化学执行器的组成包括电极层和电解质层,其中电极层主要决定执行器驱动性能和电化学性能.传统电化学执行器的电极材料主要由导电性好、驱动应力大的金属材料构成.然而,金属电极存在柔性低、循环稳定性差等问题,使得越来越多的研究人员开始关注非金属电极材料.本文重点介绍了用于电化学执行器的非金属电极材料的最新研究进展,首先介绍了电化学执行器的器件结构及驱动原理,其次根据电化学执行器电极材料的不同,分别从导电聚合物、碳材料、新型二维材料及其复合材料等方面进行了综述,讨论了各种非金属电极材料应用于执行器中的优缺点,最后对未来电化学执行器及其电极材料的发展趋势进行了展望.     

表面粗化对IPMC人工肌肉性能的影响

离子聚合物金属复合材料(Ionic Polymer Metal Composite,IPMC)是由聚合物基底膜和金属电极复合而成的一种新型的离子型电致动材料.对基底膜进行表面粗化处理,改善聚合物基底和金属电极间交界面构筑方式是提高材料性能的重要方法.本文针对IPMC人工肌肉的制备提出了一种可控的基底膜定向表面粗化方法,基于UMT-2摩擦磨损试验机的线性往复运动设计了一套IPMC基底膜表面粗化装置.对比手工粗化,采用3种载荷对Nafion商业膜表面进行了机械粗化处理.对不同粗化条件获得的基底膜以相同的工艺制备IPMC,研究了不同粗化方法和条件对IPMC人工肌肉力和位移输出性能的影响.结果表明,机械粗化能够排除手工粗化过程中人为因素的影响,做到粗化加载的力度及方向性可控,使磨痕深浅均匀方向一致.相比手工粗化,通过机械粗化可以改善基底膜与电极层之间的构筑紧密程度,增加铂颗粒的吸附能力和沉积厚度,获得更为平整致密、裂隙均匀有序的表面电极,从而降低IPMC表面电阻,提升力和位移输出能力.致密且较厚的电极层同时可以阻挡一部分水分的泄露,延长IPMC有效工作的时间.该研究能够提升IPMC制备工艺的稳定性,为IPMC制备的标准化奠定基础,同时提高IPMC人工肌肉的驱动性能,对IPMC人工肌肉的进一步开发应用提供保障.     

来自于水和石墨烯间的能量

石墨烯材料在能量存储和能量转换方面显示出巨大的潜力,如电池、超级电容器、驱动器、产电器件等.其中,石墨烯基材料水力生电这一新能源的发现与开发成为近两年来的研究热点之一.本文总结了本课题组和国内外相关研究组在石墨烯组装和水力生电相关应用方面的重大进展,包括不同结构的石墨烯的组装和加工及其在水力生电、产能领域的应用,如湿气产电、水蒸发诱导产电、湿气响应驱动器等.本文旨在增强对水伏纳米器件的认识,希望对将来石墨烯基材料水力生电的研究有指导意义.     

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.     

基于纳米碳的水伏材料及其能量转换器件

如何收集和转化自然界巨大的水能资源是近年来研究的焦点.自碳纳米管被发现具有在流水中产生电信号的性质以来,以纳米碳为主的水伏材料因具有独特的"水生电"特性引起广泛的研究兴趣.水能资源具有采集难度低、存在范围广、储量丰富等特点,主要以液态水、气态水两种形式存在.碳纳米管、石墨烯等纳米碳材料通过双电层理论和电动理论捕获雨水、水流、波浪等液态水能,而具有多孔结构、高比表面积、氧浓度梯度的碳量子点、碳黑、氧化石墨烯等则利用其独特的结构,实现对气态水能的转化利用.本文系统总结了纳米碳材料将液态、气态水中蕴含的机械能、化学能转化为电能的研究进展以及其能量转换器件;阐述了不同纳米碳和相关器件对水能的转化原理,并指出了水伏材料与器件发展过程中需要面对的挑战以及可能的发展方向.     

编者按

<正>纳米碳材料是过去30年间最为活跃的研究领域之一.富勒烯、碳纳米管、石墨烯等一系列碳质新材料先后被发现,带来了丰富的新结构、新现象、新物理和新应用,掀起并带动了持续至今的纳米科技研究热潮.纳米碳材料之所以受到广泛关注是因为其特有的几何结构、以sp2杂化为主的成键方式以及由此带来的优异的电学、力学、热学、光学等特性.例如,碳纳米管和石墨烯分别是已知最细和最薄的材料,具有远高于硅的载流子迁移率、最高的热导率和力学强度,以及优异的柔韧性.纳米碳材料的性能对结构变化极其敏感,如手性     

纳米炭/环氧树脂复合材料黏弹阻尼性能

碳纳米管和石墨烯作为近年来兴起的新型纳米炭材料,以其独特的一维/二维结构形态和卓越的物理性能已引起人们广泛关注.将纳米炭材料与环氧树脂进行复合制得纳米炭/环氧树脂复合材料,可以赋予材料更为优异的力学、电学、热学等综合性能.纳米炭材料的加入可以在复合材料内部引入更多的界面,造成显著的能量耗散,从而使得纳米复合材料在具有轻质高强特性的同时,兼具优异的黏弹阻尼性能,对于延长材料使用寿命、提高材料减震降噪性能等方面具有极为重要的意义.本文主要论述了纳米炭/环氧树脂复合材料的黏弹阻尼性能以及近期的相关研究进展,重点阐述碳纳米管、石墨烯及其复合材料的阻尼作用机理,介绍了纳米复合材料黏弹阻尼性能的测试方法,指出纳米炭/环氧树脂阻尼复合材料领域存在的主要问题,并对其应用前景进行了展望.     

载钯碳纳米管阵列电极对2,4,5-PCB的电催化还原脱氯特性

采用化学气相沉积-电沉积法制备出以钛板为基底的载钯碳纳米管有序阵列电极 (Pd/CNTs/Ti). 钯颗粒多数粒径约10 nm左右, 平均粒径小于20 nm, 均匀分散在碳纳米管(CNTs)管壁表面. 应用载钯碳纳米管有序阵列电极用于甲醇-水溶液中2,4,5-三氯联苯(PCB29)的电催化还原脱氯研究. 结果表明, 由于CNTs的独特性质, Pd/CNTs/Ti电极表现出比Pd/Ti和Pd/石墨电极更高的脱氯效率, 6 h内PCB29去除率达90%. 在此过程中PCB 29可以完全脱氯, 联苯被确认为是最终脱氯产物. 在电催化还原反应中载钯量、阴极电压和支持电解质是影响脱氯效果的关键因素.     

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.     

应变扭转双层石墨烯

扭转双层石墨烯是由两层石墨烯进行简单旋转再堆叠形成的二维莫尔超晶格材料,具有一系列超晶格依赖的奇特物理性质,如超导态、磁性态、局域态等,是近年来凝聚态物理和材料等研究领域最令人振奋的进展之一.然而,石墨烯莫尔超晶格材料与器件的研究依然面临着诸多挑战,其中最大的困扰在于扭转角和应变的无序性,严重影响了材料和器件的目标性能.围绕扭转双层石墨烯中的应变,本文总结了近年来相关理论和实验研究的进展,重点介绍了内在应变的起源和存在形式、莫尔超晶格结构的公度-非公度相转变、层间结构弛豫以及外加应变对材料性能的影响和调控.本文进一步讨论了该领域现存的问题,展望了未来的发展趋势,旨在促进应变扭转双层石墨烯的基础研究与实际应用.     

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.     

刘忠范:携手共谋自信刊

正刘忠范,北京大学博雅讲席教授,中国科学院院士,现任北京大学纳米科学与技术研究中心主任、北京石墨烯研究院院长等职,是国际著名石墨烯专家.主要从事石墨烯等纳米碳材料研究,在石墨烯、碳纳米管的化学气相沉积生长方法研究领域做出了一系列开拓性和引领性的工作. 2014年起,担任《科学通报》副主编.值"两刊"创刊70周年之际,我们专访了刘忠范院士,请他谈谈对"两刊"及中文科技期刊的看法.     

单/双壁碳纳米管-层状金属氧化物片层交织结构的三维纳米复合材料

将一维的碳纳米管与二维的片层材料组合形成多级有序的三维纳米结构材料, 可获得许多奇特的新性能. 目前将碳纳米管分散在基体中形成了多种复合材料, 发现其力学、电学、磁学、热学以及输运性能都呈现了显著的增强, 但是在基体中均匀地分散碳纳米管往往是材料组装过程中的核心问题. 发展有效可控的一维/二维材料有序组装方法是获得高性能材料的关键. 碳纳米管生长结束后, 在表面活性剂、生物大分子辅助下超声、剪切、搅拌等是其分散常用的方法. 如果能利用碳纳米管生长过程中借助特殊结构的催化剂及工艺对碳纳米管的排列及分散进行原位控制, 这样就有望一步获得碳纳米管高度分散、多级有序、高性能的三维纳米复合材料. .....     

三维垂直定向石墨烯的制备及在超级电容器中的应用

电极的结构设计是影响其反应动力学与离子传质能力,进而影响电化学储能系统性能的重要因素之一.为了追求较好的电极动力学以及传质速率,三维有序石墨烯基电极已吸引越来越多的研究兴趣.与其他类型的三维石墨烯结构不同,通过定向冷冻法、等离子体增强化学气相沉积法、KOH辅助水热法等制备的三维垂直定向石墨烯(3DVAG)具有垂直开放通道以及低孔隙弯曲度,可以有效增强离子的输运和电子的传导,提高活性物质的负载,从而实现电极材料的高能量密度及倍率性能.本文对三维垂直定向石墨烯的制备方法及其在超级电容器中的应用进行了综述,并对其未来的发展前景进行了展望.     

基于石墨烯开发的高分子复合材料在电磁屏蔽领域中的应用

电子与通讯设备广泛地应用于工业、商业、科学研究以及军事等领域,电磁辐射对人体健康造成不良的影响,使得电磁屏蔽一直是现代社会需要重视的一大问题,因此也催生了对不同类型的电磁屏蔽材料的制备与性能的研究.与传统的金属电磁屏蔽材料相比,以碳材料作为填料的高分子复合材料在电磁屏蔽领域有着自己独特的优势,包括重量轻、耐腐蚀、易加工、具有柔性以及可吸收频率范围广.石墨烯作为一种新型的二维纳米碳材料,具有极其优异的电学、力学和热力学性能,这些优异的性能使得石墨烯在与高分子材料形成复合材料后具有极佳的作为电磁屏蔽材料的潜质.此外,在航空航天、武器装备、军事防护、汽车工业以及微电子业中,对所使用的电磁屏蔽材料的热稳定性、力学性能也都有更高的要求.石墨烯-高分子复合材料比其他的含碳复合材料具有更大的优势来满足这些挑战.本文对应用于电磁屏蔽领域的石墨烯-高分子复合材料中石墨烯的制备方式进行分类,总结了目前此类复合材料的电磁屏蔽效能.     

过渡金属硫属化合物层间异质结构的可控制备和能源应用

随着石墨烯及其优异性质被发现以来,二维层状材料成为了材料科学领域研究的热点.二维层状材料每个片层内的原子通过化学键连接,片层间以弱范德华力相互堆垛.这种几何结构使得二维层状材料在晶格不匹配和生长方法不兼容的情况下,彼此之间仍然能够相互混合和匹配,从而衍生出很多范德华层间异质结构.这种异质结构利用了不同堆垛材料迥异的物理和化学性质,在电子、光电子器件、可再生能源储存和转化等领域得到了广泛的应用.需要指出的是,大面积、大畴区、可控制备本征层间异质结构是实现其实际应用的首要条件.本文总结了基于过渡金属硫属化合物(MX_2)和石墨烯(graphene)层间异质结构的最新研究成果,重点描述了MX_2/graphene和MX_2/MX_2层间异质结构的化学气相沉积(CVD)可控制备、新奇物理性质探索以及这两类异质结构在能源领域(电/光催化析氢反应)中的应用,并讨论了所存在的问题和未来发展方向.     

高比能长寿命锂离子电池电极/电解质界面修饰与调控

高能量密度、长寿命及高安全等性能是锂离子电池研究持续追求的目标和发展方向.电极/电解质界面稳定性是制约高比能量长寿命锂离子电池实用化的关键因素.本文针对发展高电压/高能量密度电池体系所面临的挑战,重点总结回顾了本研究团队在过去15年里在正极/电解液界面调控、负极/电解液界面调控、高安全阻燃电解液技术开发,以及固体电解质的结构/界面稳定性调控方面的若干探索性研究工作,并提出了高电压、高安全液体电解液技术和固态电解质及其界面研究为未来该领域的研究重点.     

石墨烯片层孔道设计及其结构调控

石墨烯——最薄的二维碳材料,因其具有卓越的机械、光学、电子和热性能,使其在复合材料、电子器件、能源储存和吸附分离等许多领域都具有广泛的应用.石墨烯筛(graphene nanomesh)作为一种在石墨烯片层引入纳米孔的多孔石墨烯,除了具有石墨烯本身固有的特性之外,其可调控的孔结构设计为石墨烯筛功能性应用提供了新的选择.本文综述了常见的石墨烯筛合成方法并展望了其未来发展前景.