石墨烯纤维材料的化学气相沉积生长方法

石墨烯纤维材料是以石墨烯为主要结构基元沿某一特定方向组装而成或由石墨烯包覆纤维状基元形成的宏观一维材料。根据组成基元的不同可将石墨烯纤维材料分为石墨烯纤维和石墨烯包覆复合纤维。石墨烯纤维材料在一维方向上充分发挥了石墨烯高强度、高导电、高导热等特点,在智能纤维与织物、柔性储能器件、便携式电子器件等领域具有广阔的应用前景。随着化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)制备石墨烯薄膜技术的发展,CVD技术也逐渐应用于石墨烯纤维材料的制备。利用CVD法制备石墨烯纤维可避免传统纺丝工艺中繁琐的氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)还原过程。同时,通过CVD法直接将石墨烯沉积至纤维表面可以保证石墨烯与纤维基底之间强的粘附作用,提高复合纤维的稳定性,同时可实现对石墨烯质量的有效调控。本文综述了石墨烯纤维材料的CVD制备方法,石墨烯纤维材料优异的力学、电学、光学性质及其在智能传感、光电器件、柔性电极等领域的应用,并展望了CVD法制备石墨烯纤维材料未来的发展方向。     

氧化铟锡薄膜电极的表面修饰

氧化铟锡(ITO)薄膜电极具有良好的物理(导电性高、透光性好)和化学性能,对其表面进行修饰可进一步拓展其在电分析化学中的应用。该文根据目前的研究现状,简要介绍了ITO薄膜电极的制备和清洗方法,总结了ITO薄膜电极的表面修饰方法,着重介绍了应用较多的化学吸附、硅烷化、电化学接枝3类方法,并简要评述了ITO薄膜电极表面修饰方法面临的挑战及应用前景。     

基于石墨烯修饰电极的电化学生物传感

石墨烯是一种具有单原子厚度的二维碳纳米材料,具有大的比表面积、高的导电性和室温电子迁移率,以及优异的机械力学性能.石墨烯还具有电化学窗口宽,电化学稳定性好,电荷传递电阻小,电催化活性高和电子转移速率快等电化学特性.化学修饰石墨烯,特别是氧化石墨烯(GO)和还原氧化石墨烯(rGO),可以被宏量、廉价地制备出来.它们具有可加工性能,可以被组装、加工或复合成具有可控组成和微结构的宏观电极材料.因此,石墨烯及其化学修饰衍生物是用于电化学生物传感的独特而诱人的电极材料.例如,GO是一种化学修饰石墨烯,也是石墨烯的重要前驱体;其边缘具有大量的羧基可用于共价固定酶,从而能实现酶电极的生物检测.在GO上的不可逆蛋白吸附也可以促进蛋白质的直接电子转移以提高其电化学检测性能.但是,GO大量的含氧官能团破坏了石墨烯本征的共轭结构,降低了其电学性能并限制了其实际应用.GO可以通过化学、电化学、热还原等技术转化成rGO,从而能部分修复其共轭结构,提高其导电性与传感性能.另一方面,石墨烯是一种零带隙材料;原子掺杂可以调控其能带结构,提高其电催化性能.石墨烯材料也常常需要通过与其它功能材料的复合进一步改善其可分散与可加工性能,提高其电催化活性和电化学选择性.本文综述了本征石墨烯(包括GO,rGO和掺杂石墨烯)以及石墨烯与生物分子、高分子、离子液体、金属或金属氧化物纳米粒子等复合材料修饰电极在检测各种生物分子方面的研究进展,并对该研究领域进行了展望.     

层层自组装法制备石墨烯/聚苯胺复合薄膜及在传感器中的应用

利用层层自组装技术,将聚丙烯酸修饰的石墨烯(PAA-Gr)与聚苯胺(PANI)进行层层自组装,制备了石墨烯/聚苯胺{PAA-Gr/PANI}n复合薄膜.聚丙烯酸修饰石墨烯不仅可以提高石墨烯的分散性,而且可以使石墨烯表面带负电荷,为其与带正电的PANI进行层层自组装提供了可能.利用紫外光谱跟踪了{PAA-Gr/PANI}n复合薄膜层层自组装过程.通过红外光谱、X射线衍射、扫描电子显微镜和循环伏安等方法表征了{PAA-Gr/PANI}n复合薄膜的结构.研究了{PAA-Gr/PANI}n复合薄膜的电化学性能,并探讨了复合薄膜在过氧化氢(H2O2)传感器中的应用.{PAA-Gr/PANI}n复合薄膜对H2O2表现出良好的电催化活性,其线性检测范围为0.005~0.3 mmol/L,线性相关系数为0.99858,检测下限为1×10-6mol/L.     

石墨烯基气凝胶催化还原特性及其应用

石墨烯基气凝胶(GA)是一种内部连通的三维石墨烯宏观体,其在继承了石墨烯良好的化学稳定性和优良催化性能的同时拥有更高的比表面积和导电性。GA由于其优越的性能和独特的结构在催化、能量存储、吸附等领域得到广泛的应用。本文主要从GA催化还原特性展开,综述了具有不同催化性能的石墨烯基气凝胶的制备方法,将其总结归纳分为GA、掺杂型GA、复合型GA以及掺杂复合型GA四种类型,并详细介绍了制备方法对石墨烯基气凝胶催化性能的影响。石墨烯基气凝胶因具有优良的电化学活性和催化特性,在燃料电池、染料敏化太阳能电池、微生物电解池和电化学传感器等领域具有广泛的应用前景。最后对石墨烯基气凝胶在催化领域的应用前景进行分析和展望。     

纳米多孔有机聚合物电化学应用研究

纳米多孔有机聚合物(nanoporous organic polymers,NOPs)是一类由轻元素组成的新型高分子材料,具有比表面积大、孔容高、化学和物理性质稳定等优点,在电化学领域表现出巨大的应用潜力.其合成方法多样,孔结构可控,表面易修饰更推进了NOPs在电化学应用的快速发展.本文总结了NOPs在电化学应用的研究进展,重点介绍NOPs的骨架改性和孔结构调控对电化学性能的影响,分析其分子结构和聚集态结构与性能的构效关系,展望了其在电化学领域未来的发展趋势.     

石墨烯-聚三聚氰胺修饰电极制备及对水果酸度测定

采用滴涂法和电聚合法,依次将石墨烯(GS)和三聚氰胺(Mel)修饰到玻碳电极表面,制备了电化学性能良好的石墨烯-聚三聚氰胺(GS/pMel)复合薄膜修饰电极。利用循环伏安法考察了该修饰电极在不同pH值的缓冲溶液中的电化学行为,在循环伏安图中可见与pH相关的一对氧化还原峰,且氧化峰电位与溶液的pH值在1.93～12.53范围内呈现良好的线性关系,相关系数为0.9969,响应斜率约为58 mV/pH。GS/pMel复合薄膜修饰电极成功地应用于果汁及水果活体的酸度测定,电极性能稳定,测量结果具有高度的重复性、稳定性和准确性。该修饰电极可广泛应用于果蔬活体酸度的直接测定。     

基于电化学还原氧化石墨烯的电化学传感

石墨烯作为理想的电极材料,由于其优异的物理和化学性质,在电催化和电分析领域已得到了广泛的关注。由于石墨烯的不可逆团聚现象使其在电化学各领域的应用受到了极大的限制,而氧化石墨烯制备简单、易得,且具有良好的亲水特性,可弥补上述不足,但其结构中富含的各种含氧基团又会导致氧化石墨烯修饰界面的电子传输能力降低,不利于电催化反应和高灵敏传感器的构筑。采用适当的还原方法可减少和控制氧化石墨烯表面的含氧基团的数量,以恢复石墨烯较为完善的平面共轭结构,提高其导电性和调节带隙,达到调控材料电催化性能的目的。基于电化学还原氧化石墨烯(ERGO)得到的本征及各类无机、有机等ERGO类复合材料的电化学传感器具有明显的优势,已被广泛应用于各种电催化及电化学传感领域。本文就基于ERGO类材料的电化学传感器的近期进展作了简要评述,论述了此类电化学传感平台的特点、制备原理和方法、分类以及在各类环境污染物、食品和药物、DNA及生物等领域的电化学传感应用,并就此类电化学传感器的发展方向和应用前景进行了展望。     

功能化石墨烯在第三代电化学生物传感器中的应用研究

石墨烯因具有大的比表面积、完整的?-?共轭结构及良好的生物相容性和优良的导电性能等特性,受到电化学研究者们的广泛关注.然而在应用过程中,本征态石墨烯存在水溶性差、与介质的相互作用较弱、易团聚等问题.通过使用非共价、共价、氮掺杂修饰的方法对石墨烯进行功能化,较好地改善了这一问题,扩展了石墨烯在电化学领域的应用.自2009年首次将功能化石墨烯应用于第三代电化学生物传感器的研究以来,近几年相关研究呈增多的态势.本文系统总结了自2009年以来,功能化石墨烯作为新型电极修饰材料在第三代电化学生物传感器研究中的相关工作,并阐述了其在该领域发展中遇到的问题.     

电化学方法制备石墨烯-铁氰化镍复合物及对抗坏血酸的电催化氧化研究

采用电化学还原方法制备了铁氰化镍-石墨烯复合薄膜电极,扫描电子显微镜(SEM)表征电还原石墨烯和铁氰化镍-石墨烯复合材料的表面形貌。采用循环伏安和计时电流技术研究了该修饰电极对抗坏血酸(AA)的电催化氧化性能,据此建立了一种测定AA的电化学分析新方法。由于石墨烯和铁氰化镍纳米颗粒之间的协同效应,使得该复合修饰电极对抗坏血酸具有优异的电催化活性。在0.1 mol/L pH 7.00的PBS溶液中,抗坏血酸的催化氧化电流与其浓度在1.0×10-4~7.0×10-4mol/L范围内呈良好的线性关系,检出限为3.1×10-5mol/L(S/N)。     

石墨烯纤维：制备、性能与应用

石墨烯纤维是一种由石墨烯片层紧密有序排列而成的一维宏观组装材料。通过合理的结构设计和可控制备,石墨烯纤维能够将石墨烯在微观尺度的优异性能有效传递至宏观尺度,展现出优异的力学、电学、热学等性能,从而应用于功能织物、传感、能源等领域。目前,石墨烯纤维主要通过湿法纺丝、限域水热组装等方法制备得到,其性能可以通过对材料体系和制备工艺的优化而进一步提升。本文首先介绍了石墨烯纤维的制备方法,然后详细阐述了石墨烯纤维的性能,讨论了其性能提升策略,并总结了石墨烯纤维的应用,最后对石墨烯纤维的未来发展、挑战和前景进行了展望。     

石墨烯基纤维储能器件的研究进展与展望

随着小型化、可穿戴等特征的智能电子以及物联网传感设备的发展,新型纤维状柔性化、小型化电化学储能器件已成为重要的研究方向。同时,对纤维材料和柔性储能器件的性能提出了更高的要求,如可任意弯折、可拉伸、可折叠、高储能密度等。石墨烯纤维具有独特的结构、优异的导电性、良好机械性能和电化学性质,已证明了是一种极具前景、高性能的新型纤维状柔性储能材料。目前,研究者已开发了多种石墨烯基纤维微观结构的调控策略来进一步改进其性能。本文首先系统总结了石墨烯基纤维的制备方法和其性能提升的策略,然后详细讨论其在柔性化纤维状超级电容器、金属离子电池、热电发电机、太阳能电池和相变材料等储能领域中的最新应用进展。最后,对石墨烯基纤维在能源存储和转换领域中存在的挑战和机会进行了展望。     

烯碳纤维基能源器件的研究进展

纤维状能源器件的研究极大地推动了可穿戴电子设备的快速发展。烯碳纤维主要包括碳纳米管纤维和石墨烯纤维,其微观组成单元具有独特的碳碳共轭分子形态,宏观结构具有高度可调控性,表现出高的比强度、优良的导电性和导热性、以及良好的机械柔韧性等,被广泛应用于先进能源器件的研究和开发,有效促进了柔性可穿戴电子器件的发展。本文综述了烯碳纤维基能源器件包括能量转换和储能器件等的研究和应用进展,具体介绍了烯碳纤维基太阳能电池、湿气发电机、热电发电机、超级电容器以及电化学电池等的最新成果,重点讨论了烯碳纤维基能源器件的制备方法和可穿戴应用,分析了烯碳纤维基储能及能量转换器件面临的问题和挑战,期望能够为未来高性能纤维基可穿戴能源器件的发展提供有价值的研究思路。     

层间共价增强石墨烯材料的构筑、性能与应用

大批量石墨烯可控制备技术的逐渐成熟为实现其宏观组装和应用提供了基础。在众多的组装策略中,调节石墨烯层间的界面相互作用可以直接影响组装体的力学、电学、热学以及渗透等性质,具有重要的意义。石墨烯片层间以共价键连接的层间共价石墨烯材料以其可调的层间距、较强的层间作用力、丰富的功能化、以及可能的原子构型重排等特性,受到了广泛的关注和深入的研究。相比于其他非共价的键合手段,共价连接是一种更为牢固的枢纽。本文中我们将总结讨论层间共价石墨烯材料的构筑方法、性能以及应用。在构筑方法中,依据石墨烯本身的制备方法分为氧化还原法以及化学气相沉积法,而在氧化还原法中,以其宏观材料的形貌分为纸状和纤维状来讨论。接着,我们重点介绍了层间共价对其力学和电学性能的影响,并概述了此类宏观组装体材料的应用。层间共价石墨烯材料继承了石墨烯自身优异的特性,同时也具有宏观组装所赋予的性能,有望在多个领域得到广泛的应用。     

基于MXenes的功能纤维的制备及其在智能可穿戴领域的应用

在电子信息和物联网技术的推动下,人类对可穿戴电子器件和智能织物的需求愈发突出,功能纤维作为智能可穿戴设备的重要载体,近年来获得快速发展。功能纤维的性能很大程度上取决于纤维的基础构筑单元。过渡金属碳/氮化物(MXenes)作为一种新兴的二维材料,凭借其高电导率、优异的可加工性能、可调节的表面特性以及出色的机械强度等优点,受到了极大的关注,也逐渐成为构筑功能纤维的重要单元。本文将主要综述MXenes的湿化学、熔融盐、无氟试剂刻蚀等方法和力学、电学、光学和化学稳定性等性能,阐述基于该材料制备的功能纤维在传感、储能以及其他智能领域的应用,最后讨论了基于MXenes材料的功能纤维的未来应用前景和技术挑战。     

影响高浓度氧化石墨烯分散液流变行为的重要因素及群体平衡动力学分析

氧化石墨烯(GO)片的基面和边缘上存在大量的含氧官能团,能很好地分散在水中,因而具有很好的加工性和广阔的应用前景。在较高浓度范围下,GO水分散液中存在着强烈的竞争性相互作用,从而对流变行为产生较大影响。在本文中,通过稳态、动态等流变实验以及理论分析,研究了pH值、温度和不同的有机溶剂对GO分散液流变行为的影响。结果表明,降低pH值、适当增加温度以及加入吡啶均可促进GO水分散液从粘弹性液体到凝胶态的转变。利用DLVO (Deryagin-Landau-Verwey-Overbeek)理论,探讨了GO片之间的范德华作用力以及双电层排斥作用的相互关系,及其对流变性能的影响。通过群体平衡模型(PBE)分析了GO分散液的屈服应力与体积分数的正相关关系。同时,通过蠕变和松弛实验发现,高浓度的GO分散液中结构变化及流变行为在很多方面与高聚物相似,利用Poyting-Thomson模型能较好地拟合其粘弹性行为。上述研究结果为深入研究复杂的GO分散体系提供理论支撑和实验依据。     

湿法纺制石墨烯纤维：工艺、结构、性能与智能应用

石墨烯纤维是由石墨烯片层通过组装过程形成的宏观一维材料。其具有较好的耐热性、导热性、导电性以及轻质高强等优点,是实现高品质、功能化纤维的重要突破口。石墨烯纤维在超轻导线、可穿戴储能、传感、生物电极等领域具有广阔应用前景。目前,湿法纺制技术是石墨烯纤维的最主要制备手段,与现有的化学纤维制备过程兼容,是最有望实现规模化制备高品质石墨烯纤维的技术。本文首先介绍了湿法纺制石墨烯纤维工艺中的关键步骤,重点讨论了制备技术与石墨烯纤维结构之间的关系。论述了提升纤维性能的相关策略,总结了石墨烯纤维在功能/智能纤维领域应用。并对提升石墨烯纤维性能的关键问题进行总结阐述,展望了石墨烯纤维的发展前景。     

柔性锌-空气电池进展与展望

近年来,人们越来越关注柔性可穿戴电子设备。柔性锌-空气电池由于有较高的理论能量密度以及对像人体一样不均匀表面的适应能力,有望成为下一代电子产品的电源。在柔性锌-空气电池研究领域,人们已经取得了较好的研究进展,各种柔性锌-空气电池的制备方法已被报道。本文阐述了近年来柔性锌-空气电池的主要成就以及面临的困难,特别是关注凝胶电解质、金属阳极以及柔性空气阴极对柔性锌-空气电池电化学性能的影响,最后讨论了柔性锌-空气电池面临的主要挑战与发展前景。     

钠离子电池电极材料的设计策略——固态离子学视角

钠离子电池是目前最有前景及可行性的新兴储能候选体系。对于钠离子电池而言，如何实现其电极材料的理性设计及构筑，是重要的科学问题。本文立足于钠离子/电子输运这一核心问题，从固态离子学视角探讨钠离子电池电极材料的设计策略。首先，对于体相电极材料，输运特性的明晰、调控以及缺陷化学模型的建立，是传统电极材料开发的关键。其次，对于纳米电极材料，随着尺寸的减小，电极材料的热力学性质、动力学特性以及钠离子微观储输机制都会发生相应变化，因此从纳米离子学视角，以尺寸效应调控电极材料具有重要的科学价值及现实意义。最后，无论对于体相材料还是纳米材料，从材料的本征输运特性出发，通过电化学电路的设计和构筑来优化电极动力学，可以为钠电电极材料的理性设计及可控制备提供理论指导。我们相信，通过本文系统地对钠离子电池电极材料设计策略的梳理，必将对钠离子电池的开发，提供有意义的指导，并为最终的产业化打下良好的基础。