简易方法制备交叉碳纳米管-石墨烯异质结

发展了一种通过两次高分子辅助转移和选择性氧等离子体刻蚀技术大量制备交叉碳纳米管-石墨烯异质结的无损方法. 拉曼光谱和导电性测试证明, 制备的单层石墨烯薄片在大面积范围内质量均一、导电性好. 而且, 本文所讨论的单层石墨烯的生长和随后的器件制备也提供了大面积制备石墨烯薄片图案化的可重复性方法. 该方法与传统的薄膜技术兼容, 只需简易的几步便可把图案化的石墨烯集成到大规模的微电子器件回路中, 有望实现流线型和自动化的石墨烯微电子器件的大量生产. 这些研究结果为进一步制备分子整流器和其它功能纳米/分子器件提供了技术基础.     

石墨烯在甘油/尿素剥离液中的稳定行为的分子动力学模拟研究

现有的实验方法很难实时观测到石墨烯在液相剥离溶剂中的结构演变, 尤其是石墨烯稳定的微观机理尚不明确. 本工作通过分子动力学方法, 模拟了多层石墨烯和U型石墨烯在不同的物质的量比下的甘油/尿素溶剂中的结构变化, 研究剥离液对石墨烯稳定性的影响. 结果表明, 多层石墨烯在不同溶剂体系中的稳定性差异不显著; 而U型石墨烯在各溶剂体系的稳定性有明显差异, 且稳定能力为: 纯甘油>甘油/尿素(2/1)>甘油/尿素(3/1)>甘油/尿素(1/1). 这说明石墨烯在剥离溶剂中的稳定性与石墨烯的剥离状态有关. 通过溶剂分布发现, 尿素能够进入石墨烯层间, 增加石墨烯层间距; 同时, 甘油能够与尿素形成氢键, 随尿素进入石墨烯层间, 进一步增大层间距, 从而形成稳定的单层或多层受限二元溶剂分子层. 受限溶剂分子层对剥离的石墨烯存在排斥作用, 从而为石墨烯在甘油/尿素二元剥离液中的长期稳定提供了保障.     

石墨烯表界面化学修饰及其功能调控

石墨烯属于碳纳米材料家族中的一员,是一种单层的二维原子晶体,具有高硬度、高导热性、高载流子迁移率等诸多优良特性,被认为是新一代电子学器件的重要基础材料.近年来我们课题组利用石墨烯的这些优良特性在其表界面化学修饰及其功能调控方面开展了一系列研究工作.我们对石墨烯表界面进行了共价或非共价化学修饰,在一定程度上打开了石墨烯的带隙,并发展了具有传感功能的石墨烯器件.我们还制备了基于石墨烯的纳米电极,发展了新一代分子电子器件的普适性制备方法,实现了单分子器件的功能化.展望未来,以石墨烯为代表的碳基纳米材料将继续在纳电子器件研究领域发挥重要作用.     

环糊精-石墨烯超分子体系

环糊精是由D型吡喃葡萄糖通过α-1,4-糖苷键连接而成的环状超分子主体化合物,其特殊的结构赋予了其良好的分子识别性能;石墨烯是仅由单层sp杂化的碳原子构筑的具有良好的电化学性能的材料.作为著名的"明星分子",石墨烯类材料无疑是近5年来研究热点之一.在各种各样的石墨烯材料中,由环糊精-石墨烯联合构筑的超分子体系在保留二者优良性能的同时又引入了新的功能特点.综述了近些年来新发展起来的环糊精-石墨烯超分子体系:通过二者作用方式进行了分类,分为共价键连接和非共价键连接;综述了该超分子体系在药物运输及释放、电化学检测(包括对药物分子、污染物和生物分子的检测)等领域的应用;最后对该体系在药物负载及释放、模拟生物固氮、燃料电池、研究电子传导等应用前景进行了展望.     

基于石墨烯及其衍生物的生物传感系统

由于石墨烯或其衍生物具有的独特的电、热、机械、光及电化学性能,特别是单层石墨烯或其衍生物极高的载流子迁移率、良好的导电性、高比表面积、易于功能化、强荧光猝灭性和生物分子亲和力,尤适于生物传感系统的构建。本文对近几年来石墨烯及其衍生物在场效应晶体管、电化学、压电晶体、光致发光及电化学发光生物传感系统方面的研究情况进行了综述。     

国内首片15英寸单层石墨烯在渝问世

日前,中科院重庆绿色智能技术研究院(简称中科院重庆研究院)正式公开宣布,该院已经成功制备出国内首片15英寸的单层石墨烯。石墨烯是由碳原子组成的单原子层平面薄膜,可以作为制备新型触摸屏的核心部分——透明电极的材料。据中科院重庆研究院微纳制造与系统集成研究中心副主任史浩飞介绍,石墨烯只有0.34纳米厚。粗略估计,一根头发丝的直径大概等于十万层石墨烯叠加起来     

石墨烯/聚乙烯复合材料及其拉伸性能的分子动力学模拟

利用分子动力学方法,模拟石墨烯/聚乙烯复合材料的微观结构和性能,并采用单轴拉伸模拟方法研究石墨烯/聚乙烯复合材料的拉伸性能.结果表明,在石墨烯/聚乙烯复合材料平衡构型中,聚乙烯基体分子在石墨烯表面处形成多层吸附层,吸附层处于动态稳定状态,层内分子可以发生扩散迁移.吸附层内聚乙烯分子发生"吸附固化"现象,分子弯曲程度减弱,发生有序排列,且在垂直于石墨烯方向的运动性能受到抑制.拉伸模拟结果表明,石墨烯能够提高聚乙烯材料的拉伸性能.在弹性区和屈服区,石墨烯阻碍了复合材料在垂直于拉伸方向的压缩变形,聚乙烯分子"吸附固化"结构保持稳定,引起体系整体应力的迅速升高.在软化区,由于石墨烯发生剧烈弯曲,"吸附固化"结构发生破坏,最终引起体系应力迅速减小.在弹性区和屈服区,体系应变主要引起了非键相互作用的改变.在软化区之后,应变主要导致了体系内分子成键相互作用的改变.应变速率能够提高复合材料的屈服应力,而不改变复合材料应力应变的整体趋势.     

石墨烯的功能化及其在储能材料领域中的应用

石墨烯是由sp~2杂化的碳原子紧密堆积成的单原子层二维碳材料,由于其优异的物理和化学性质被视为最有前景的新型材料之一。但由于石墨烯片层之间在范德华力的作用下易发生不可逆团聚,丧失其单层二维纳米片的结构特性,以及石墨烯表面呈现惰性状态,致使其与其他介质的相互作用较弱,难以均匀分散在极性或非极性的溶剂中,因而石墨烯的应用受到限制。对石墨烯进行功能化可以调控其分子结构、电子能级和化学性质,不仅可以有效抑制石墨烯的团聚而且能够改善其在溶剂中的分散性和稳定性,从而实现石墨烯基材料的多元化应用。本文综述了近年来共价键和非共价键功能化石墨烯以及其复合材料在储能领域的研究进展,并对功能化石墨烯的发展前景进行了展望。     

基底敏感的石墨烯氧化

正近日,南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室的郭万林研究团队通过理论计算和实验发现石墨烯在不同基底上的抗氧化性能迥然不同。石墨烯是具有优异电子性质的单原子层晶体材料,由碳原子在层内以杂化轨道联结的六元环结构组成,比表面积可高达2630 m2?g~(-1)。由于单层石墨烯的每个碳原子都暴露于表面,其化学稳定性,尤其是抗氧化性能长期以来备受关注~(1-4)。氧化往往是石墨烯化学分解和器件性能衰退的重     

石墨烯的纳米摩擦与磨损性质

采用乙醇溶剂剥离的方法制备石墨烯. 通过对溶剂温度、超声时间、超声功率和溶剂离心速度及时间的控制, 从高定向热解石墨(HOPG)制备得到少层石墨烯. 用原子力显微镜(AFM)研究了云母基底上不同层数石墨烯在真空中的纳米摩擦过程, 发现从约4 个原子单层(4 ML)起, 摩擦系数基本不再变化, 但摩擦力仍随着厚度的增加而显著减小, 7 ML之后, 其摩擦系数基本接近于零. 在磨损实验中, 少层石墨烯表面存在刮坏的现象,且不同厚度的石墨烯的磨损现象明显不同, 其中2 ML石墨烯相比4 ML石墨烯表现出较好的耐磨损性能, 且不具有摩擦方向依赖性. 测试了真空下少层石墨烯和云母表面的粘附力, 发现不同层厚的石墨烯相差不大, 因此认为基底效应并不是磨损性质差异的主要原因. 相对于单层石墨烯, 少层石墨烯在抗磨损涂层等领域有着很大的潜在应用价值.     

功能型单层石墨烯的热剥离法制备及其超电容性能

以氧化石墨(GO)作为前驱体,在两种不同热剥离温度下制备了两类功能型单层石墨烯.其中第一类功能型单层石墨烯通过在较低温度及空气气氛下热剥离GO制备;第二类功能型单层石墨烯通过在氮气保护下高温热剥离GO得到;利用氮气吸附-脱附方法测定了两类样品的比表面积,利用电化学测试方法分析了其超电容性能.结果表明,通过低温热剥离的方式即可以有效剥离GO;两类样品均具有较高的BET比表面积.低温热剥离GO所制备的功能型单层石墨烯在2 mol/L KOH体系中的最大比电容值约为220 F/g;而通过高温热剥离GO所制备的功能型单层石墨烯虽然同样具有较高的BET比表面积,但其最大比电容值下降至约150 F/g.这表明通过低温热剥离GO所制备的功能型单层石墨烯具有更优异的超电容性能.     

石墨烯中的单空位缺陷对铂原子催化解离氧分子的影响

采用密度泛函理论中的B3LYP方法研究了石墨烯中的单空位缺陷对铂原子(Pt)催化解离O_2分子的影响.计算发现O_2分子首先通过[2+1]或[2+2]环加成作用吸附在以单空位缺陷石墨烯为载体的Pt上(Pt-SV),并以不同的路径进行解离,吸附能分别为-158.23和-152.45kJ/mol.由于石墨烯片上单空位缺陷的存在,O_2分子更容易吸附在单空位缺陷处的Pt上,并且O_2在Pt-SV上解离的能垒(130.25kJ/mol)也明显比在Pt-pristine上解离的能垒低(76.23kJ/mol).因此石墨烯上单空位缺陷的存在提高增加了Pt的催化能力.     

超声辅助Hummers法制备氧化石墨烯

采用超声辅助Hummers法制备氧化石墨烯,单片层厚～1 nm。本法首先在Hummers法的低温、中温反应阶段加入超声振荡,以此来分别提高石墨的插层效率和氧化程度,然后在高温反应开始时,采用把含有残留浓硫酸的混合液缓慢滴入低温去离子水中再加热的方式,以此减少硫酸分子等插入物因为局部温度过高从石墨层间脱出,最后通过低速离心得到氧化石墨。使用超声辅助Hummers法制备氧化石墨烯既方便快捷,又能有效地增大氧化石墨的层间距,且随着超声功率的提高,所得氧化石墨的层间距呈扩大趋势。     

仿鲍鱼壳石墨烯多功能纳米复合材料

石墨烯具有力学性能高、电导率优异等特点,然而单层石墨烯纳米片在组装成为宏观纳米复合材料的过程中,往往会出现片层团聚、界面作用弱、无规取向等问题,导致宏观石墨烯纳米复合材料性能远低于单片石墨烯。因此,如何将微观石墨烯纳米片层的高性能在宏观纳米复合材料中体现出来,是目前研究的热点和难点。本专论结合目前石墨烯纳米复合材料的研究现状,简要讨论了受天然鲍鱼壳的“砖-泥”结构的启发,仿生构筑高性能石墨烯纳米复合材料的最新研究进展。并对本课题组在仿鲍鱼壳石墨烯多功能纳米复合材料领域近年来的工作进行介绍,包括石墨烯纤维、薄膜和块材等多种宏观石墨烯纳米复合材料,系统总结构筑仿鲍鱼壳结构和反鲍鱼壳结构两种策略,在一定程度上解决了石墨烯在组装过程中的科学问题。同时,详细阐述了仿鲍鱼壳石墨烯多功能纳米复合材料的增强增韧机制和功能化策略,分析了今后研究工作中可能遇到的问题,并展望了未来的发展趋势。     

基于石墨烯的样品制备技术研究亮点

自2004年被首次制备出来,石墨烯就受到了全世界科学家的普遍关注。石墨烯是由单层碳原子组成的六方蜂巢状结构的二维物质,如果以每平方纳米石墨烯片层结构上容纳的碳原子个数为38来计算,石墨烯具有很大的比表面积（2630 m2/g）,再加上其生产成本低,使其成为样品预处理中理想的富集材料之一。     

旋转双层石墨烯光电器件

正石墨烯是由单层碳原子按六方晶格排布构成的二维原子晶体,碳原子的核外电子以sp~2杂化成σ键,未参与杂化的p_z轨道构成π键。在能带上,π键使石墨烯在费米面附近形成线性狄拉克锥形能带结构1,这一晶格及能带结构使石墨烯的光生载流子可以在非常短的时间内产生和复合(分别50 fs及10 ps量级)~(2,3),因此,石墨烯在超快光电探测上有很大的潜力。目前,基于单层石墨烯的光电探测器工作频率可达40 GHz,理论带宽可达500     

二维碳纳米薄膜制备的新途径——由自组装膜到石墨烯

本文描述了芳香族分子作为自组装单分子膜(SAMs)前驱体在电子辐照下引发芳香基团交联,在真空或惰性气氛中转化为具有较高热稳定性的碳纳米薄膜(CNMs)。CNMs具有足够的机械强度,可从其基底表面转移作为独立的薄膜材料,经高温淬火后转化为石墨烯。根据制备条件,如芳香分子前驱体的化学结构、电子辐照和淬火参数等,可以调整所制得的石墨烯的形状、结晶度、厚度、孔径等各种性能。各种芳香族硫醇,如低环及多环芳烃碳氢化合物,获得的CNMs的结构和功能由其单分子膜的结构所决定。本文详细讨论了电子辐射诱导SAMs芳香分子交联反应的机理。CNMs/石墨烯异质结构的非破坏性化学功能化组装为CNMs/石墨烯在电子、光子器件以及生物膜中的应用开辟了一条灵活的途径。     

石墨烯用于金属腐蚀防护的研究

单层无缺陷石墨烯具有优异的屏蔽性能,能阻隔氧气、水分子等腐蚀因子到达金属基体表面,被认为是已知最薄的腐蚀防护涂层。基于石墨烯在金属腐蚀防护领域巨大的应用潜力,本文从石墨烯薄膜防护涂层、石墨烯/有机防护涂层以及石墨烯-导电高分子/有机防护涂层等方面进行系统总结,重点围绕石墨烯薄膜存在的问题以及石墨烯在有机涂层中均匀分散等进行详细分析和介绍,同时对石墨烯基防腐涂料的未来发展进行了展望。     

石墨烯分子振动模式因子群分析与密度泛函计算

运用因子群分析法对石墨烯的分子振动模式进行了理论分析,得到石墨烯的分子振动模式,计算出各振动模式的光谱特性.对所建立的石墨烯晶体的布拉维单胞模型采用基于密度泛函理论的第一性原理进行分子振动频率与模式的计算,所得的振动模式数目以及各振动频率的光谱特性同因子群分析方法所得结论一致.结合上述计算结果,通过系统比较石墨与石墨烯之间的红外光谱和拉曼光谱的差别,从理论上解释了具有D6h对称的石墨烯的A2u、E1u红外活性特征振动模式没有在红外光谱中出现的原因.     

氧化程度对氧化石墨烯a-b轴结构及电学性能的影响

采用改进的Hummers法及超声分散等后续处理制备不同氧化程度的氧化石墨烯样品。用XPS、XRD、AFM、UV-Vis及四探针测试仪对样品官能团变化规律、结构、形貌特征以及电学性能进行表征分析。结果表明,氧化石墨烯在超声波的作用下水相条件下可达单层分散,单层氧化石墨烯厚度约为1.4 nm:成膜过程中,在氢键力的作用下氧化石墨烯片层沿c轴重叠形成层状凝聚体,结构有序度较好;随氧化剂(KMn O4)用量增加,碳层平面上含氧官能团含量持续增加,特别是羟基官能团(C-OH)含量的增加,使a-b轴方向最大底面间距(d100和d110)一直增大,直至KMn O4用量达4.0 g时,部分C-OH水解,导致d100与d110略有减小;碳层平面上含氧官能团尤其是环氧官能团(C-O-C)含量的增加,使样品带隙宽度逐渐增大,导电性能越来越差。