石墨烯的功能与应用——规模制备和能源相关应用

<正>2004年曼彻斯特大学报道了首个具有明确结构的石墨烯材料1,其优异的物理化学性质引起了科学界和工业界的持续关注。经过十几年的探索,石墨烯的规模化制备和应用已取得了长足的进步,尤其是在能源存储和转化等领域展现出了广阔的应用前景。本专刊收集了国内部分科学家在相关领域的研究成果,分成两期在2022年第1期和第2期印刷出版。     

交联萘沥青的组成与结构特征

萘与硫在较低温度下交联聚合，制得了可溶性好、残炭值高、软化点较低，流动性良好的交联萘沥青。结构分析发现，此沥青分子量分布较窄，主要由三到四个萘分子交联而成，推测其反应机理，估计聚合物经萘环侧位交联成环而形成长链状硫杂环类结构。     

均四甲苯改性沥青的化学结构特征

平均结构参数分析法是分析沥青类复杂分子体系化学结构的一种有效方法。通过分析比较热处理改性沥青和均四甲苯改性沥青在化学结构上的不同 ,发现均四甲苯改性沥青中有机分子的分子量较大 ,但氢含量较高 ,芳香度较小 ,主要表现为脂肪环结构的增多和甲基取代基的大量引入。氢转移、质子化、亚甲基桥的形成可能是导致这些结构特征的主要原因。     

均甲甲苯改性沥青的化学结构特征

平均结构参数分析法是沥青类复杂分子体系化学结构的一种有效方法。通过分析比较热处理改性沥青和均甲甲苯改性沥青在化学结构上的不同,发现均甲甲苯改性沥青中有机分子的分子量较大,但氢含量较高,芳香度较小,主要表现为脂肪环结构的增多和甲基取代基的大量引入。氢转移、质子化、亚甲基桥的形成可能是导致这些结构特征的主要原因。     

3,5—二氯—4—羟基苯甲醛的合成

通过正交设计和单因素分析对对甲苯酚化氯化法制３，５－二氯－４－羟基苯甲醛的合成条件进行了优化，在更为温和的条件下，目的产物收率达９０～９２％。     

功能化石墨烯材料：定义、分类及制备策略

自2004年被成功制备后,石墨烯因其独特迷人的性质在近十几年来备受关注,同时也引发了二维纳米材料的研究热潮。单原子层厚度的二维结构赋予石墨烯非同寻常的光学、电子学、磁学及力学等性质,使得石墨烯在生物学、医学、化学、物理学和环境科学等多个领域展现出极大的应用潜力。制得注意的是,石墨烯在应用时通常需要进行功能化,调节其组成、大小、形状和结构等,以便于加工处理或满足不同的应用需求。石墨烯功能化方法多样,功能化产物也是种类繁多。然而,到目前为止,石墨烯功能化产物并没有系统全面的分类和精确的定义。因此,本文在系统总结现有石墨烯功能化研究的基础上,给出了石墨烯功能化产物的系统分类、各类的精确定义和相应的制备策略,并通过典型示例进行了详细地阐述。石墨烯功能化的产物统称为“功能化石墨烯材料”,分为两类：“功能化石墨烯”和“功能化石墨烯复合材料”。功能化石墨烯材料的制备可由“自上而下”和“自下而上”两种策略实现。制备策略的选择取决于应用需求。系统分类、精确命名和制备策略的归纳必将有助于功能化石墨烯材料的进一步发展。     

超薄氮掺杂碳纳米片负载单原子镍用于高效电催化还原二氧化碳

将二氧化碳转化为高附加值的燃料和化学品是缓解当前能源危机和控制温室气体排放的有效策略之一,但此法受限于缺乏高活性与高选择性的电催化剂。因此,我们通过热解含镍金属有机框架结构(MOF)和二氰二胺制得负载高含量镍单原子(7.77% (w))的超薄氮掺杂二维碳纳米片用于电催化还原CO₂生成CO。研究发现高温热解能将MOF中Ni²⁺转化为Ni⁺-N-C和Ni²⁺-N-C结构,且Ni⁺-N-C含量依赖于热解温度——其含量随热解温度增加呈现火山型变化。800 ℃下,Ni²⁺到Ni⁺-N-C的转化和石墨化的C生成达到最优水平。Ni⁺-N-C结构有适宜的*CO中间体结合能,能有效地抑制析氢反应的同时还能促进CO生成。因此,800 ℃热处理制得的材料(Ni-N-C-800)催化CO₂生成CO效率最高。调节电解液浓度,能进一步优化电催化性能。当电解液(碳酸氢钾)浓度为0.5 mol·L^-1时,Ni-N-C-800的CO生成选择性在较宽电压窗口内(-0.77到-1.07 V vs. RHE)都高于90%,且具有优良的稳定性。这些结果表明,选择合适的前躯体通过调控热解温度以及氮掺杂可以有效提高镍基MOF衍生催化剂的二氧化碳电催化性能。     

专访富碳纳米材料领域代表人物——智林杰研究员

<正>富碳纳米材料是指具有高分子结构特征又具有碳纳米材料性能特征的新型纳米材料,不仅具有富碳高分子明确的化学结构与组成,而且其结构单元、分子骨架、孔道与表面结构、官能团种类与位置、杂原子的引入与定位等重要的结构特征均可以通过结构单元的分子设计与可控的化学反应过程来实现较精确的调节与控制。同时,富碳纳米材料也具有碳纳米材料的重要性能特点,     

超级电容器用中孔炭复合电极材料研究进展

超级电容器是一类利用电化学双电层或电极材料在电极/溶液界面发生的氧化还原反应来存储能量的装置,除兼有常规电容器功率密度大和二次电池能量密度高的特点外,还具有可逆性好和循环寿命长等优点.本文重点介绍了近几年国内外对中孔炭材料、表面官能团修饰中孔炭材料、中孔炭-金属氧化物、中孔炭-导电聚合物等几类电极材料的研究现状;并且展望了超级电容器用中孔炭及其复合电极材料的当前研究热点和发展前景.     

石墨烯化聚合物的合成和应用

石墨烯是由纯粹的sp2碳组成的二维蜂窝状结构,具有良好的导电导热性;聚合物是由某些小分子结构单元组成的链状或网状大分子,包含大量氢,氧,氮等杂原子或大量功能基团.由于石墨烯具有超大比表面积和优异的电学性能,国内外学者投入了大量精力开发基于石墨烯的高性能储能器件,包括锂离子电池和超级电容器.同时,由于微孔聚合物具有高度可控的结构和超大比表面积,这种新型的聚合物可望广泛应用于气体存储、催化及传感领域.近年来,结构介于石墨烯和聚合物之间的一系列过渡型材料受到广泛关注,迅速成为能源等领域特别是储存领域的研究热点.这类材料同时具有石墨烯单元结构和聚合物片段及功能.但与传统的石墨烯/聚合物复合材料比较,这类材料中的石墨烯结构是由聚合物前驱体及聚合物本身在较高的温度下经过脱氢、重构、稠环化等苯环化学的成键反应逐渐长大而形成的;或者通过石墨烯的化学打孔、化学功能化、化学片段化逐渐形成的石墨烯与聚合物共存的独特结构.这些形成的石墨烯单元被有机链或片段相互连接,形成各式各样的带有化学功能的多孔结构与网络结构,这种独特的结构同时拥的良好的电子传输通道和离子传输通道,是二者的有机结合体,在能源储存等领域表现出极大的应用潜力.本文将这种具有独特结构的石墨烯片段与聚合物片段共同组成的结合体称之为石墨烯化聚合物(graphenal polymer),名称的准确与否还要聚合物界前辈与同仁一起决定.本文结合本课题组这几年来在这一领域的工作思路以及其他的部分本领域同行报道的一些工作进展,集中讨论石墨烯化聚合物的合成方法及其在储能领域的潜在应用.