国外科技期刊亮点

生成石墨烯纳米带新方法 “石墨烯纳米带”（GNRs）是被拉长的石墨带,厚度为一个原子,它能够随宽度的不同表现出不同的电子性能。这种可调节性使得它们比碳纳米管在某些应用中更具吸引力。2009年4月16日出版的《自然》（Nature）杂志上,两个研究团队分别报道了由碳纳米管生成GNRs的方法。     

边缘化学修饰锯齿型石墨烯纳米带的电子结构

利用第一原理密度泛函理论,计算了边缘氢化和COH,CO边缘氧化的锯齿型石墨烯纳米带的结构稳定性和电子结构性质。能量计算表明,这些氧化的纳米带比边缘氢化纳米带要稳定。此外,OH官能团产生了和H边缘类似的能带结构,而CO官能团产生了复杂的金属能带结构,边缘氧化引入了穿越费米能级的半占据能带。相应结果为制备石墨烯基纳米电子器件提供了理论依据。     

不同宽度锯齿型石墨烯纳米带的第一原理研究

采用第一原理密度泛函理论,研究了不同宽度边缘饱和（氢原子）一维石墨片纳米带的电学性质。研究表明：对于所有宽度锯齿型纳米带,其几何结构和电子结构与碳纳米带的宽度密切相关。这为揭示纳米带尺寸效应提供了一条切实可行的道路。     

双弯曲对称石墨烯纳米带的热电性质

运用非平衡格林函数方法,研究了双弯曲对称石墨烯纳米带结构中的电子和声子输运规律．研究结果表明：两种双弯曲对称石墨纳米带对应的ZT值可以远大于相应理想石墨纳米带对应的值;同时发现,两种双弯曲对称石墨纳米带对应ZT的最大值非常敏感地依赖于其散射区的长度和宽度的变化．     

电场作用下边缘修饰石墨烯纳米带的电磁性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理,研究了非金属原子(B,N)和金属原子(Na,Mn)边缘修饰不同宽度zigzag型石墨烯纳米带(ZGNR)的结构稳定性和电磁性质。并进一步研究了外加不同强度垂直电场对原子边缘修饰ZGNR电磁性质的调控规律,所有原子边缘修饰ZGNR体系均能形成稳定结构。在施加垂直于纳米带平面的电场强度后,随着电场强度的增大,[N-ZG]_4体系稳定性最好且基本不变,[Mn-ZG]_4体系稳定性增加,而[B-ZG]_4和[Na-ZG]_4体系稳定性降低;电场促进了边缘修饰原子(B,Na,Mn)的电荷进一步向石墨烯C原子转移,阻碍了电荷从石墨烯C原子向边缘N原子转移;N和Na修饰体系的磁性逐渐减小,而B和Mn修饰体系磁性逐渐增大。研究结果表明,外加不同强度电场可以有效调控原子边缘修饰ZGNR体系的结构稳定性、电子性质和磁性,能够为石墨烯纳米带在纳米电子领域的应用提供理论基础。     

锂电池负极材料石墨片的简单制备及其性能

以石墨铅笔的笔芯为原料,通过简单涂抹的方法成功制备类似石墨烯纳米片的薄片结构.对该石墨片材料在0.1 C（1 C=372 mA/g）电流密度下进行电化学性能测试,并与铅笔芯直接碾磨制备的石墨材料进行比较,结果发现,石墨纳米片的充放电曲线显著不同,首次可逆比容量为402 mA·h/g,高于石墨材料的比容量和碳的理论比容量.经过20圈循环后,可逆比容量下降为367 mA·h/g,为首次比容量的91.3%.石墨片材料具有较好的循环稳定性和较高的比容量,主要是因为石墨片具有二维片状纳米结构,比表面积很大,锂离子可同时储存在纳米片的正反两面和侧面.     

单壁碳纳米管超声裂解制备石墨烯纳米带

将单壁碳纳米管仅通过气相氧化和超声裂解两步制备出了石墨烯纳米带,采用透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱(Raman)对制备出的石墨烯纳米带进行形貌和结构分析。结果表明,此方法制备的石墨烯纳米带宽度狭窄、边缘光滑,并且相比于刚性的单壁碳纳米管具有良好的柔韧性,大约为2nm的厚度也说明了石墨烯纳米带的双层结构。在气相氧化和超声裂解的过程中,拉曼光谱中D峰与G峰的比值始终保持在0.15左右,表明在整个制备过程中,并没有引入新的缺陷。此方法相比于其他方法制备出的纳米带具有结晶度高、宽度狭窄、边缘光滑等优点。     

H2O分子在石墨烯扶手型边缘吸附的研究

类似石墨表面,石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子,石墨烯比石墨具有更大表面积,因此,石墨烯的表面性能被广泛关注. 然而较少被关注的是石墨烯边缘C原子的性能. 石墨烯边缘C原子由于存在未配对的电子,因此具有更强的反应活性. 本文采用了SelfConsistentCharge Density Functional Tight Binding(SCCDFTB)方法对H2O分子在石墨烯扶手型边缘的吸附现象进行了研究. 研究发现,石墨烯边缘的峰位C原子具有很好的吸附性,吸附能大约为-0.109~-0.768     

三维炭/还原氧化石墨烯纳米片的制备及其电化学性能

采用水热合成法,将间苯二酚甲醛树脂涂覆在还原氧化石墨烯片层上,经冷冻干燥及炭化后构筑三维炭/还原氧化石墨烯纳米片。使用SEM、TEM、FTIR、XPS等对样品的形貌与结构进行表征,利用循环伏安、恒流充放电及电化学阻抗法测试了样品的电化学性能。结果表明,间苯二酚甲醛树脂成功将还原氧化石墨烯片包覆,二者构筑的三维炭/还原氧化石墨烯复合纳米片厚度为25nm;当循环伏安测试扫描速率为20mV/s时,三维炭/还原氧化石墨烯纳米片电极材料的比电容分别为还原氧化石墨烯与间苯二酚甲醛树脂炭电极材料相应值的1.8和2.8倍;在0.2A/g的充电电流密度下,三维炭/还原氧化石墨烯纳米片电极材料比电容为154.4F/g。     

表面活性剂软模板制备石墨烯／镍-铝层状双氢氧化物复合材料及其超级电容性能

氧化石墨经过微波辐射和高温热裂解处理得到深度还原的石墨烯。超声分散石墨烯于去离子水形成稳定的石墨烯分散液,加入硝酸镍、硝酸铝、尿素和表面活性剂软模板剂Pluronic123;采用水热法制备石墨烯／镍铝层状双金属氢氧化物复合材料;利用扫描电镜、透射电镜、X．射线衍射和红外光谱对此复合材料进行结构和形貌表征。结果表明表面活性剂的空间限制及调节作用,使之形成超薄的镍铝层状双金属氢氧化物纳米片,且均匀分散在褶皱的石墨烯纳米片上。研究了复合材料作为超级电容器电极的电化学性能。结果表明,复合材料电极的表观多相电子转移常数（k。）为0．727s～,明显高于单独的镍铝双金属氢氧化物,因此石墨烯的引入大大改善了材料的电子传导性。在1A／g的电流密度下,复合材料电极的比电容为1354．8F／g。当电流密度增加到10A／g时,循环充-放电1000次后,比电容仍保持在98．5％以上。在4kW／kg的功率密度下。其能量密度达到12．96Wh／kg。所制备的石墨烯／镍铝层状双金属氢氧化物复合材料提供了高的比电容、充-放电循环稳定性和能量密度。     

扶手椅型石墨烯纳米带吸附钛原子链的电子结构和磁性

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了扶手椅型石墨烯纳米带(10G、11G、12G和13G)吸附zigzag型Ti原子链的几何结构、电子性质和磁性。结果表明,zigzag型Ti原子链可以稳定吸附在石墨烯纳米带表面。Ti原子链吸附在纳米带的边缘洞位(10G-1、11G-1、12G-1和13G-1)时较为稳定,且稳定程度随着纳米带宽度的增加而增加。Ti原子链吸附在不同宽度石墨烯纳米带的不同位置,呈现不同的电子结构特性。其中,10G-1、10G-2和11G-2的吸附体系表现出半金属特性,其余吸附体系都为金属性质。同时,石墨烯纳米带吸附Ti原子链的体系具有磁性,其磁性主要来源于Ti原子。当Ti原子链吸附在纳米带边缘洞位时,zigzag原子链上A类Ti原子的磁矩总是小于B类Ti原子的磁矩;随着Ti原子链移向纳米带中心,两类Ti原子的磁矩趋于相等。研究结果揭示,通过吸附zigzag型Ti原子链,可以有效调控石墨烯纳米带的电子结构与磁性质。     

局部扭转形变下典型armchair型石墨烯纳米带的力电特性

将密度泛函理论与非平衡格林函数方法相结合,选取了宽度为11根碳原子链、边缘H钝化的armchair型石墨烯纳米带为模型,系统研究了局部扭转形变对石墨烯纳米带力电特性的影响.结果表明,随着扭转角度的增加,armchair型石墨烯纳米带的结构依次经历了弹性形变、塑性形变直至完全断裂.局部扭转形变对armchair型石墨烯纳米带的力电特性有显著影响,表现出了依赖于形变过程的输运谱和伏安特性.     

掺杂石墨烯制备方法新进展

石墨烯是一种新兴的二维碳纳米材料,在平面内碳原子以sp2电子轨道杂化形成蜂巢状晶格结构,厚度只有0.34 nm,具备优异的光电性能.然而石墨烯价带和导带之间的带隙为零,这限制了其在纳米电子学中的应用.通过杂原子(如氮、硼、氟等)对石墨烯进行掺杂的方式,可以打开带隙使其成为n型或p型材料,调节其电子结构和其他内在性质,有效地改善或扩大其在各种领域中的应用.掺杂对石墨烯性能的影响主要取决于杂原子键合类型以及掺杂量.比如掺杂氮原子的石墨烯片将在晶格中产生吡啶氮、石墨氮以及吡咯氮这3种常见的键合结构,而不同氮的存在形式会对掺杂石墨烯的催化及电学特性产生影响.本文综述了近年来掺杂石墨烯的制备、性质和应用,比较了现有制备方法的优缺点,介绍了其在能量存储转换、光电器件以及传感器等方面的应用实例,分析总结了现有掺杂石墨烯材料的不足并展望了其未来的发展方向.     

纳米石墨片的制备与表征

以74μm天然鳞片石墨为原料,采用Hummers法制备氧化石墨。微波加热膨胀处理的氧化石墨,经超声振荡,氧化石墨片层剥离。通过水热法,在还原剂硼氢化钠的作用下得到纳米石墨片分散液。利用透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱和X射线衍射仪(XRD)对所制备的纳米石墨片进行表征。实验结果表明:该纳米石墨片呈现透明的薄片状,片层边缘存在褶皱形貌,片层间距为0.39 nm,层数约为12层。氧化石墨的剥离程度和还原程度均较高,其晶体结构中的缺陷得到了修复。     

磁搅拌研磨方法制备纳米石墨及其特性分析

采用磁搅拌研磨法在6h内快速制得了高纯纳米石墨.利用X-射线衍射(XRD)、氮气吸附、高分辨透射电子显微镜(TEM)、X-射线能量色散谱分析(EDS)和傅里叶变化近红外光谱(FT-IR)对纳米石墨进行了系统表征.经XRD分析,确认其为纳米石墨;经氮气吸附测试分析,纳米石墨的比表面积为661m2/g;高分辨透射电镜分析表明纳米石墨为纳米石墨片和多层石墨烯的混合物,其粒径分布在50～100nm左右;用红外光谱和EDS分析,纳米石墨表面具有较多的羟基和羧基等官能团,氧元素含量达22.47%.     

热解-模板法制备石墨烯的分子动力学模拟探究

提出一种以废弃塑料热解产物为碳源,以石墨微片为模板,通过石墨微片的生长来制备石墨烯的设想。为了探索该设想的可行性和反应机理,以聚乙烯为例,采用反应分子动力学模拟方法从原子尺度对热解-模板法制备石墨烯的过程进行了研究。结果表明,在一定的温度条件下,聚乙烯分解产生具有高反应活性的乙烯基自由基和甲基自由基,这些自由基在降温过程中会接枝到石墨微片的边缘从而生长石墨烯。这说明以废弃塑料为碳源,加热分解后在石墨微片上生长石墨烯的设想具有可行性。分析了加热时间、冷却时间等条件对石墨烯生长过程的影响,可为实验制备石墨烯提供理论指导和参考。     

含有碳链通道的石墨烯纳米带电子特性的第一性原理研究

采用第一性原理的密度泛函理论结合非平衡格林函数的计算方法,研究了含有多碳链通道的石墨烯纳米带的原子结构、电子能带结构与电子输运特性.结果表明,移除大量原子后含有双碳原子链的纳米带的能隙显著增大,这说明电子从占据态到未占据态的跃迁将更加困难;并且最高占据子能带与最低未占据子能带几乎与费米能级平行,说明边缘态几乎完全消失.电子输运特性的计算结果与电子能带结果是自洽的,碳链的引入导致纳米带电导隙的增大和费米能级位置电导的湮没.这说明通过电子束轰击的方式裁剪纳米带的原子结构来制备集成度更高、尺度更小的一维半导体纳米器件是可行的.     

空位缺陷对zigzag型石墨烯纳米带电子结构的影响

为了了解空位缺陷对zigzag型石墨烯纳米带电子结构的影响,采用基于密度泛函理论的第一性原理,计算含不同空位碳原子数的缺陷zigzag型石墨烯纳米带的电子结构。研究结果表明:含缺陷的zigzag型石墨烯纳米带都呈现出类金属性的电子结构特征,其电子结构与缺失碳原子的含量及缺陷位置附近碳原子的饱和度密切相关;缺陷的存在会引入缺陷能级,当缺失的碳原子数为奇数时,费米面附近存在3条能级;当缺失的碳原子数为偶数时,费米面附近只有2条能级;随着空位缺陷的增加,缺陷处碳原子的不饱和度也增加,从而费米能附近的态密度峰出现相应衰减。     

氧化石墨烯变身橡皮泥

<正>近日,一组来自美国西北大学的研究团队成功将氧化石墨烯(grapheneoxide,GO)变成柔软、可塑的橡皮泥。这种被称为"GO面团"的可塑性材料解决了石墨烯制造业中令人头疼的储存问题。氧化石墨烯是石墨发生氧化后的产物,常用于制造石墨烯。石墨烯是一种单原子层厚的碳薄片,强度高、重量轻,在电子和能源存储方面具有潜在应用前景。目前,氧化石墨烯多以干燥固体或粉末形式储存,容易燃烧。如果将其稀释后储存,虽然能降低燃烧的风险,但储存质量将成百上千倍地增加。如今,研究人员通过向水中添加超高浓度的氧化石墨烯制成了GO面团,10千克面团便可储存5千克氧化石墨烯,效率大大提     

多空位缺陷和硼氮杂质对锯齿型石墨烯纳米带电子结构的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究多空位缺陷和掺杂对对称性锯齿型石墨烯纳米带(ZGNRs)的电子结构的影响.研究结果表明,具有相同位置的多空位缺陷或氮掺杂的对称性ZGNR显示了半金属特性,而硼掺杂的对称性ZGNR显示了半导体性质.石墨烯纳米带的锯齿形边缘上和空位缺陷处都存在自旋极化的电子态,并且边缘上电子自旋呈反铁磁性排列.具有多空位缺陷的ZGNR磁矩依赖于带宽、空位缺陷的构型以及空位缺陷与边缘的距离,从而磁矩随着带宽的增加呈现震荡效应.这种特殊的缺陷和掺杂效应可用来设计新颖的自旋电子器件.