石墨烯的化学研究进展

评述了近3年来在石墨烯(graphene)制备化学、石墨烯化学改性、石墨烯表面化学和催化等方面取得的重要进展. 阐述了通过化学方法实现非支撑(freestanding)或准非支撑(quasifree- standing)石墨烯结构的可控和规模制备; 通过表面反应对石墨烯进行掺杂和官能化, 制备了石墨烷、石墨烯氧化物等具有特殊结构和性质的石墨烯相关化合物; 这些石墨烯及石墨烯相关材料(graphene and related materials)在催化、储氢等领域展现出非常重要的应用前景.     

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.     

石墨烯扭转结构的前沿研究进展

石墨烯间的扭转打破了传统的Bernal堆叠形式,在形成摩尔超晶格的同时引起了电子能带结构的重构.因此,扭转角作为石墨烯结构参数之一逐渐引起人们的注意.此前关于扭转石墨烯的研究多停留于理论阶段,而随着制备手段和理论研究的发展,研究者逐渐开始探索石墨烯扭转结构对其性能的影响规律.近年来,在魔角石墨烯中观察到的超导态和铁磁性引发了人们对于石墨烯扭转结构的大量关注和讨论.这些在常规碳材料中闻所未闻且未曾被预料到的奇特性质表明,以魔角为代表的扭转石墨烯中仍存在着诸多亟待解决的物理学问题.本文针对扭转石墨烯,特别是魔角石墨烯,围绕其制备方法、电子结构、表征手段和功能特性4个方面进行了较为全面的总结,提出了该领域现存的问题,并展望了扭转石墨烯相关研究的发展趋势.     

热解法制备MOF衍生多孔碳材料研究进展

纳米多孔碳材料因其丰富的空隙、大比表面积及易于设计等特点在工业上展现出巨大的应用潜力,而通过调控其组成结构以获得更优的性能并实现制备成本的控制一直是研究的重点.金属有机框架(MOFs)作为一种新型的晶态多孔材料,具有组成可调、结构多样、孔径可控等特点,在催化、能量储存和转化、气体储存、环境修复等诸多方面受到了广泛的关注.特别地,基于MOFs的结构与组成,MOFs被用作制备各种形式的纳米多孔碳材料以及新的多功能碳基复合材料的通用前体,与单个组件组装的复合材料相比,它往往表现出更优越的功能特性.本文综述了近年来采用MOFs热解的方法制备多孔碳材料的设计原理和策略,为获得高性能多孔碳及其复合材料提供借鉴并给出了未来的发展前景和挑战.     

二苯丙氨酸二肽有序纳米结构的组装及应用

二苯丙氨酸二肽(L-Phe-L-Phe,FF)是引起阿尔兹海默症的A?-多肽成纤维的关键识别序列,具有优异的自组装性能,是制备生物功能性纳米材料的重要组装基元.迄今为止,研究者已制备出多种FF基微纳米结构,但是如何有效地控制自组装材料的形状和尺寸一直都是研究的关键和热点.近年来,本课题组通过改变组装条件以及引入外源小分子等方法来调控FF基肽分子的组装,成功实现了对肽基组装材料的形状、结构和功能的调控.这些研究不仅丰富了FF基肽分子的组装结构,同时也为其他肽基纳米材料的制备和生物功能材料的开发提供了新的策略和重要的实验依据.     

微孔晶体的晶化

从宏观和微观角度简要总结了微孔晶体晶化过程及晶化机理的研究,包括微孔晶体的成核与晶体生长(宏观角度)、晶化机理的主要观点、结构导向效应、研究微孔晶体晶化的主要技术手段及最新的研究思路和策略(微观角度).借鉴于致密晶体晶化行为的研究,微孔晶体的晶化过程分为成核与晶体生长两个阶段.在成核阶段,提出了晶核可以从液相(液相成核)、固相(固相成核)或固液相(双相成核)中成核,后被统一为"通用"成核机制.在晶体生长阶段,研究主要集中于生长模式.受制于当前较低分辨率和灵敏度的表征手段以及合成体系的复杂度,人们对晶体的成核与生长机制的认识还存在着极大的争议.在微孔晶体的晶化过程及晶化机理研究中,一项重要的内容是通过特定的表征手段确认在晶化过程中生成的小结构单元,包括色谱、电喷雾质谱、原位和非原位核磁共振、紫外拉曼光谱等.结合实验数据和理论计算可以确定一些单靠实验数据不能确认的结构单元.在微孔晶体的晶化过程中,结构导向剂起到了极其关键的作用.本文简要总结了结构导向剂的种类和导向的典型结构.最后介绍了新近提出的"反向进化"法,该方法可用于研究在晶化的早期阶段生成的小结构单元及晶化起点的结构.     

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.     

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     

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.     

可溶液加工还原氧化石墨烯:制备、功能化、自组装及在智能信息器件中的应用

石墨烯作为一种苯结构无限延伸的纳米与介观分子,表现出多层次迥异的物理与化学特性.本文从机械剥离法制备的石墨烯的奇特物理性质追溯氧化石墨烯(GO)相关化学反应的开展,再到其共价/非共价功能化及应用,用分级化学的视角梳理了该领域的化学进展.重点论述了化学方法制备的氧化石墨烯及还原氧化石墨烯(rGO)在溶液分散态下的功能化方法和自组装结构.针对环境友好的可溶液加工GO/rGO工艺面临的问题,总结了纳米片分散性、片间相互作用及其薄膜工艺的相关进展,为研究其墨水配方、成膜工艺和薄膜微结构的控制提供了指导.最后在总结rGO薄膜材料相关研究进展的基础上,介绍了其在智能信息器件中的应用,并对存在的挑战性问题和未来研究方向提出自己的观点.     

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.     

基于碳纳米材料的柔性透明导电薄膜研究进展

随着电子器件的便携化发展,柔性电子器件越来越引起人们的关注.透明导电薄膜同时具有良好的导电性和光学透过性,已作为电极被广泛应用于光电功能器件领域.然而,目前普遍使用的透明导电材料氧化铟锡(ITO)由于含有储量有限的铟元素而存在成本高的问题,并且由于氧化物本身的脆性,其所制薄膜的柔性也不理想,并不能完全满足目前柔性电子器件的发展要求.因而,对于可替代ITO的其他廉价、可大量制备、具有优异性能的柔性透明导电薄膜的研究近年来受到研究者的广泛关注.碳纳米材料因同时具备高的电子传输率、透光率以及良好的机械柔性可以满足目前柔性电子器件的应用需求,此外,碳纳米材料更具备来源广泛、制备方式灵活多样等特有优势,可以降低材料和生产成本,因而更具有实用价值.本文简要综述了近几年基于碳纳米材料(以碳纳米管和石墨烯为主)的柔性透明导电膜的研究工作,结合材料制备和性能调控以及薄膜制备(特别是连续化制备)的方法,阐述了该领域最近的研究成果及应用,最后简要讨论了基于碳纳米材料的柔性透明导电薄膜目前存在的问题及可能的发展方向.     

石墨烯量子点在肿瘤诊断与治疗中的应用

传统的治疗方式存在诸多缺陷,促使肿瘤治疗的研究转向纳米技术方向。利用纳米技术能够开发和制备纳米尺寸的功能材料,并将其用于疾病治疗、诊断和成像剂等方面。石墨烯量子点作为兼具石墨烯片状结构和量子点发光性质的碳基纳米材料,具有低生物毒性、高荧光量子产生率、稳定的光致发光性和优异的生物相容性等优点,被广泛应用于催化、传感、生物成像、医学诊断以及肿瘤治疗等不同的领域,也因此成为生物医药材料的研究热点。结合石墨烯量子点的制备、性质和应用等,文章主要综述了石墨烯量子点在药物递送、光动力治疗、光热治疗以及荧光成像与示踪等肿瘤诊断与治疗方面的研究。     

金属衬底上石墨烯生长机理研究进展

石墨烯作为一种新型的二维碳材料,在高性能纳米电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域具有非常重要的应用前景.然而,大规模可控合成高质量的石墨烯仍然面临巨大的挑战,其中比较有效的方法之一是在金属衬底上生长石墨烯.本文总结了近年来在金属衬底上生长石墨烯的机理研究方面取得的重要进展,从初始阶段、成核阶段、长大过程3个方面进行了介绍,最后还介绍了氢气在石墨烯生长过程中所起的重要作用,以期对石墨烯生长机理的深入研究及大规模可控制备提供帮助.     

石墨烯量子点在肿瘤诊断与治疗中的应用

传统的治疗方式存在诸多缺陷，促使肿瘤治疗的研究转向纳米技术方向。利用纳米技术能够开发和制备纳米尺寸的功能材料，并将其用于疾病治疗、诊断和成像剂等方面。石墨烯量子点作为兼具石墨烯片状结构和量子点发光性质的碳基纳米材料，具有低生物毒性、高荧光量子产生率、稳定的光致发光性和优异的生物相容性等优点，被广泛应用于催化、传感、生物成像、医学诊断以及肿瘤治疗等不同的领域，也因此成为生物医药材料的研究热点。结合石墨烯量子点的制备、性质和应用等，文章主要综述了石墨烯量子点在药物递送、光动力治疗、光热治疗以及荧光成像与示踪等肿瘤诊断与治疗方面的研究。     

自组装低维无机/有机异质结纳米材料

一维有机-无机异质结纳米材料因自身具有突出的光学和电学的性能而备受关注.在这种异质结材料内部,有机和无机的组分相互作用形成多个功能界面.这种新材料不仅保留了原来单组分的本征特性,还会通过界面强的作用产生新的特性,真正实现"1+12"的协同性能.认识和解释分子自组装的控调规律;通过分子结构的裁剪和作用力的调控实现小尺度低维分子聚集态异质结构的大面积、高有序组装;理解分子聚集态尺度下分子间弱相互作用产生的协同驱动机制和通过杂化/异质自组装优化原有功能,获得新结构的分子低维聚集态结构并在分子自组装体水平上研究结构变化导向的特殊性质,对基础科学研究的发展具有重大的科学意义.在本文中,我们主要讨论了制备异质结纳米材料的方法以及这些材料在电子和光学领域的应用.     

Ru(0001)表面石墨烯的外延生长及其担载纳米金属催化剂的研究

采用室温下吸附乙烯结合高温退火的方法在Ru(0001)表面上制备了单层石墨烯结构. 利用扫描隧道显微镜(STM)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外光电子能谱(UPS)研究了石墨烯的生长过程以及石墨烯的表面形貌和结构. 以单层石墨烯为模板, 制备了尺寸和空间分布比较均一的Pt纳米团簇.     

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.     

石墨烯霍尔元件

回顾了石墨烯霍尔元件的现状,并展望了其应用前景.石墨烯霍尔元件能够充分发挥石墨烯材料迁移率高和单原子薄层等优势,规避其没有带隙或者小带隙的缺陷,其主要的性能包括灵敏度、线性度、分辨率、温度稳定性等都超过了基于传统半导体材料的霍尔元件,而且制备工艺简单,容易得到高性能的石墨烯磁敏传感器.基于化学气相沉积(CVD)生长并转移到绝缘基底上的石墨烯材料,批量制备出高质量性能均匀的石墨烯霍尔元件.通过低温的器件加工工艺,将石墨烯霍尔元件集成到硅基互补性金属氧化物半导体(CMOS)电路中,实现了高性能混合霍尔集成电路,展示了石墨烯霍尔元件与硅基CMOS集成电路良好的工艺兼容性.     

天然纤维素物质模板制备功能纳米材料研究进展

自然生物物质特殊的天然结构赋予其人工材料所难以比拟的优异功能,是构建人造功能纳米结构材料理想的模板物质.天然纤维素物质作为一种常见的天然高分子化合物,从宏观到分子层次的独特阶层结构及其在纳米层级上的多孔网状形貌可期赋予以其为模板而制备的有关人造材料独特的性质和功能.以纳米层级的精度和客体基质(无机和有机的)精确复制自然纤维素物质,能够最大限度地把其优异性能(如多孔隙结构和高内表面积)引入到相应的人造材料中去.应用表面溶胶-凝胶方法可以在纤维素物质的纳米纤维表面以纳米级别的厚度可控沉积金属氧化物凝胶薄膜,特定功能的客体物质能够进一步地表面组装于其上;继之以合适的方法去除纤维素模板成分即得到相应的具有纤维素物质阶层状结构和形貌的人造功能材料.本文简述了以此为基础设计和构建新型纳米结构材料(如金属氧化物及其复合纳米材料、聚合物纳米材料、硅和金属纳米材料等)的研究进展.以自然纤维素物质为模板或支架开发功能材料是一条获得新型功能纳米材料的简便、低成本和对环境友好的捷径.