金属催化制备石墨烯的研究进展

石墨烯作为一种新兴的碳素材料,从一出现就引起了众多学者的关注.石墨烯具有许多新奇的特性,使得石墨烯在光电领域及微电子工业等有极大的应用潜力.但是目前难以实现大尺寸、高质量、宏量石墨烯的可控制备,限制了石墨烯的广泛应用.本文分析了各种石墨烯制备方法的利弊,重点从层数控制及大面积制备等方面对金属催化法进行了阐述,固态碳源金属催化法可以实现宏量制备大尺寸、高质量、薄且均匀的石墨烯.综述了金属催化制备石墨烯的相关机理研究,指出了目前研究的局限,并对石墨烯相变机理的下一步研究方向进行了展望.     

金属原子修饰石墨烯体系催化性能的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了单个CO和O2气体分子在金属原子修饰石墨烯表面的吸附和反应过程.结果表明:空位缺陷结构的石墨烯能够提高金属原子的稳定性,金属原子掺杂的石墨烯体系能够调控气体分子的吸附特性.通入混合的CO和O2作为反应气体,石墨烯表面容易被吸附性更强的O2分子占据,进而防止催化剂的CO中毒.此外,对比分析两种催化机理(Langmuir-Hinshelwood和Eley-Rideal)对CO氧化反应的影响.与其它金属原子相比,Al原子掺杂的石墨烯体系具有极低的反应势垒(0.4 e V),更有助于CO氧化反应的迅速进行.     

金属原子修饰石墨烯体系催化性能的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了单个CO 和O2气体分子在金属原子修饰石墨烯表面的吸附和反应过程. 结果表明: 空位缺陷结构的石墨烯能够提高金属原子的稳定性, 金属原子掺杂的石墨烯体系能够调控气体分子的吸附特性. 通入混合的CO和O2作为反应气体, 石墨烯表面容易被吸附性更强的O2分子占据, 进而防止催化剂的CO 中毒. 此外, 对比分析两种催化机理(Langmuir-Hinshelwood和Eley-Rideal)对CO氧化反应的影响. 与其它金属原子相比, Al原子掺杂的石墨烯体系具有极低的反应势垒(< 0.4 eV), 更有助于CO氧化反应的迅速进行.     

金属衬底上石墨烯的红外近场光学

对石墨烯/铜体系开展了系统性的近场光学实验研究,成功观测到了区别于铜衬底的、来自石墨烯的近场光学响应信号,发现在表面台阶几何参数相同的铜衬底上的不同石墨烯样品表现出了截然不同的近场光学响应.     

第一性原理研究O2在CrN4掺杂石墨烯上的氢化

掺杂是调制graphene催化特性的有效方法. 掺杂的Graphene, 因其具有对氧还原反应具有较高的活性, 而作为一种新型高效质子交换膜燃料电池阴极材料. 采用包含色散力校正的第一性原理的密度泛函理论方法(DFT-D)系统的研究了O2在CrN4掺杂的Graphene上的吸附和氢化特性. 结果表明: (1) O2倾向于以side-on模式吸附在Cr顶位, 形成O-Cr-O三元环结构, 吸附能为1.75 eV; (2) O2在CrN4-Gra上更倾向于直接分解成O+O, 并进一步氢化为O+OH, 反应的限速步为O2的分解, 相应的反应势垒为0.48 eV.     

第一性原理研究O_2在CrN_4掺杂石墨烯上的氢化

掺杂是调制graphene催化特性的有效方法 .掺杂的石墨烯,因其具有对氧还原反应具有较高的活性,而作为一种新型高效质子交换膜燃料电池阴极材料.采用包含色散力校正的第一性原理的密度泛函理论方法 (DFT-D)系统的研究了O_2在CrN_4掺杂的石墨烯上的吸附和氢化特性.结果表明:(1)O_2倾向于以side-on模式吸附在Cr顶位,形成O-Cr-O三元环结构,吸附能为1.75 e V;(2)O_2在Cr N4-Gra上更倾向于直接分解成O+O,并进一步氢化为O+OH,反应的限速步为O_2的分解,相应的反应势垒为0.48 e V.     

三维金属有机骨架/石墨烯水凝胶均相降解纤维素为小分子酸的研究

通过在三维还原氧化石墨烯孔径中原位生长ZIF-8纳米粒子,制备了三维金属有机骨架/石墨烯催化剂.这种ZIF-8/rGO纳米复合材料同时具有介孔和微孔,并且拥有高比表面积和大量催化位点,是生物质转化的理想催化剂.将纤维素溶解于氢氧化钠水溶液中,在水热条件下,使用这种催化剂,纤维素可以被充分降解转化.纤维素转化率可以达到100%,其主要产物是甲酸,产率最高可达93.66%.催化剂还可以被回收,重复使用依然具有很好的催化效果.     

基于可调控多肽纳米管和石墨烯复合纳米结构的光吸收催化平台

近年来, 自组装纳米结构因为其容易制备、稳定、环保以及与各种功能基团、粒子等的多样结合能力吸引了科学家们的目光, 成为人们研究的热点课题, 在光电池、光催化、水凝胶、药物缓释等方面的实验科学领域得到了广泛的应用. 尤其是光催化方面, 自组装结构的重复性为激子的传递创造了比较良好的条件, 成为众多激子传递平台中的佼佼者. 本文报道了一种以苯丙氨酸二肽纳米管和羧基石墨烯为基础的自组装光吸收催化平台, 对其结构进行研究, 并使用该体系进行了烟酰胺腺嘌呤二核苷酸到它的还原态的催化实验. 该体系的微观结构由纳米管和石墨烯膜复合而成, 羧基石墨烯的存在能够降低纳米管直径, 实现纳米管的形态操控, 石墨烯与多肽纳米管复合纳米结构的存在实现了多通道协同激子传递, 降低了激子传递的距离, 极大增强了催化中心对于激子的接受和使用效率. 在复合了光敏剂和催化中心之后, 该体系具有较高的稳定性, 均一的分散性, 很强的光能吸收和转化能力等性质. 对于从NADP⁺往NADPH转变的催化实验表明, 该体系有较高的反应速率和催化效率, 并且比两种单一结构催化平台效果之和更好, 实现了一加一大于二的效应, 展现了复合纳米结构光吸收催化平台的巨大潜力和广阔应用前景.     

利用窄刻槽金属光栅实现石墨烯双通道吸收增强

构建基底/窄刻槽金属光栅/覆盖层/石墨烯结构,利用金属光栅激发的表面等离子体激元共振和窄光栅刻槽支持的法布里-珀罗共振,在可见光波段实现单层石墨烯的双通道吸收增强,并结合简化模型估算出双吸收通道所在位置.在波长462和768 nm处,石墨烯的光吸收效率分别为35.6%和40.1%,相比石墨烯本征光吸收率的增强均超过15.5倍.进一步研究发现由于短波处吸收增强源于金属光栅的表面等离子体激元共振,其吸收特性受覆盖层厚度、刻槽深度和宽度变化的影响较小;而由于长波处吸收增强源于窄刻槽中的法布里-珀罗共振,因此呈现出良好的角度不敏感吸收特性.     

氢化二维过渡金属硫化物的稳定性和电子特性:第一性原理研究

用氢对单层二维过渡金属硫化物(TMDs)进行功能化是调节单层TMDs电子性质的既有效又经济的方法.采用密度泛函理论,对单层TMDs (MX_2 (M=Mo, W; X=S, Se, Te))的稳定性和电子性质进行理论研究,发现在单层MX_2 的层间有一个比其表面更稳定的氢吸附位点.当同阳离子时,随着阴离子原子序数的增加, H原子与MX_2 层的结合越强,氢化单层MX_2 结构越稳定;相反,同阴离子时,随着阳离子原子序数的增加, H原子与MX_2 层的结合越弱.氢原子从MoS_2的表面经层间穿越到另一表面的扩散势垒约为0.9 eV.氢化对单层MX_2 的电子特性也会产生极大的影响,主要表现在氢化实现了MX_2 体系从无磁性到磁性体系的过渡.表面氢化会使MX_2 层的带隙急剧减小,而层间氢化使MX_2 的电子结构从半导体转变为金属能带.     

溶液法制备Graphene

Graphene因其优异的物理性能和潜在的应用前景,引起物理界和化学界的广泛关注,成为继碳纳米管后凝聚态物理和材料科学领域中又一研究热点,文章详细介绍了近几年发展起来的Graphene的溶液制备方法,例如石墨插层法、液相分散法、氧化石墨还原法、溶剂热法、芳香偶联法等,并对各种方法的特点进行了评述.     

石墨烯固体酸催化转化葡萄糖为化学品

利用氢化钠和丙磺酸内酯合成出了磺化石墨烯催化剂,采用XPS、FT-IR、TEM等方法对其进行了表征,并且对此催化剂催化葡萄糖的转化反应进行了研究．探究此催化剂在纯水中、没有添加任何有机溶剂下催化转化葡萄糖制备高附加值化学品方面的催化活性,在最优的反应条件下, 5-羟甲基糠醛(HMF)最高产率可达28.8%,产物甲酸、乳酸和HMF的总产率可达51.94%．经过5次催化反应,催化剂仍表现出相对高的催化活性,三种产物的产率依然较高,表明此种固体酸催化剂有很好的热稳定性．     

溶液法制备Graphene

Graphene因其优异的物理性能和潜在的应用前景,引起物理界和化学界的广泛关注,成为继碳纳米管后凝聚态物理和材料科学领域中又一研究热点.文章详细介绍了近几年发展起来的Graphene的溶液制备方法,例如石墨插层法、液相分散法、氧化石墨还原法、溶剂热法、芳香偶联法等,并对各种方法的特点进行了评述.     

吲哚染料的电荷转移和能量转移：应用于无金属的染料敏感太阳能电池

对于应用于无金属染料敏感太阳能电池的吲哚染料用量子化学方法进行研究．对比研究吲哚染料的基态和激发态性质,揭示了随着绕丹宁环数目的增加,HOMO和LUMO的能量差减少,吸收光谱红移,但是束缚能增加,跃迁偶极矩减少;依据电荷差分密度,电荷和能量从苯乙烯转移到吲哚环和绕丹宁;电子空穴相干性主要表现在吲哚环和绕丹宁环,对于吲哚染料系统,存在一个绕丹宁环的体系的激子数目为30个原子,带有两个绕丹宁环的体系激子数目有40个原子．理论计算结果可以应用于无金属的染料敏感太阳能电池的吲哚染料的计算机辅助设计中．     

Graphene oxide monolayers as supporting films for high resolution transmission electron microscopy

A novel kind of TEM support composed of graphene oxide monolayers was fabricated by a facile solution-cast method. Compared to the conventional carbon supporting films, such graphene oxide film (GO-film) performed better stability under high-energy electron beams and better dispersion effect for water-soluble nanoparticles. Quantitative improvement in TEM imaging resolution for nanomaterials on such GO-films compared to the commercial ultrathin carbon films was demonstrated.     

不同尺度的蛋白质在纯石墨烯及氧化石墨烯表面的吸附比较

Using all-atom molecular dynamics (MD) simulations, we have investigated the adsorption stability and conformation change of different proteins on the surface of pristine graphene (PG) and graphene oxide (GO). We find that: (i) with the cooperation of the electrostatic interactions between proteins and oxygen-containing groups, GO shows better adsorption stability than PG; (ii) the peptide loses its secondary structure on both PG and GO surface, and the a-helix structure of the protein fragment is partially broken on PG surface, but is well preserved on GO surface, while the secondary structure of globular protein has no distinct change on both PG and GO surface. In general, GO presents better biocompatibility than PG. Our results are of significant importance to understand the interactions between proteins and PG/GO and the applications of PG/GO in biotechnology and biomedicine.     

电化学制备钛网负载聚吡咯/石墨烯复合膜及其在超级电容器中的应用

通过电化学的方法在钛网上制备了聚吡咯与石墨烯的复合物薄膜,其过程是先在钛网上通过自组装干燥膜法附着上石墨烯氧化物膜,而后采用电化学还原的方法原位还原制备得到石墨烯膜,随后加入吡咯单体,再通过电化学聚合的方法在石墨烯的表面生长聚吡咯,得到的聚吡咯开始以颗粒的形式存在,而后随着聚合的进行得到了链状的聚吡咯.得到的复合膜有高的比表面积和导电性,可以作为电极活性材料用于超级电容器中提供赝电容,结果表明,复合膜作为电极材料的超级电容器拥有高的性能,比电容达400 F/g,并且电极的充放电稳定性高,5000次复合膜充放电循环后比电容还能保留82%,说明该材料适合于超级电容器.     

Catalytic behavior of graphene oxide for cement hydration process

Hydration is a critical step that determines the performance of cement-based materials. In this paper, the effect of GO on the hydration of cement was evaluated by XRD and FTIR. It was found that GO can remarkably accelerate the hydration rate of cement due to its catalytic behavior. This happened because the oxygen-containing functional groups of GO provide adsorption sites for both water molecules and cement components.     

Graphene nanoribbon based terahertz antenna on polyimide substrate

Graphene nano ribbon based terahertz patch antenna on polyimide substrate is designed and its radiation characteristics are investigated in the 725–775 GHz band. The terahertz communication system consists of higher data rate transmission, low transmit power with secured wireless communication. The proposed antenna consists of graphene nano ribbon as radiating patch and also the ground plane separated by a 20 μm thin polyimide substrate. The antenna has achieved the broad impedance bandwidth (>5%) in the band of operation. The design has yielded a peak gain of 5.71dB at 750 GHz. The antenna is simulated by using the finite element method based simulator Ansys - HFSS.