超级电容器用石墨烯薄膜：制备、基元结构及表面调控

石墨烯薄膜是一种以石墨烯纳米片为基元结构的宏观体,通过合理的结构设计和表面修饰使其具有优异的电学、力学和热学性能,将在电化学储能、电子器件、健康和环保等领域具有潜在的应用。本文主要综述了从石墨烯基元调控到二维宏观膜组装以及石墨烯薄膜在超级电容器应用中的研究进展。主要介绍了石墨烯薄膜的简易制备方法,并详细介绍了通过对石墨烯基元的结构调控和表面修饰来优化石墨烯薄膜电化学性能的两大策略,最后对石墨烯薄膜应用所面临的挑战和未来的发展进行了总结与展望。     

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。     

石墨烯气凝胶的可控组装

石墨烯气凝胶一般是由石墨烯片层经过湿法化学组装或气相化学生长获得的一种具有连通多孔网络结构的石墨烯三维宏观体材料,表现出极高的比表面积、良好的导电性以及优异的机械性能等,在电化学储能、吸附、催化以及传感等领域有着极为重要的应用。本文从石墨烯气凝胶的结构设计与组装策略出发,综述了近年来石墨烯纳米结构单元在石墨烯气凝胶材料（氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、化学气相沉积（CVD）石墨烯、以及复合气凝胶等）中的组装行为,并对石墨烯气凝胶目前的现状及今后发展方向做了简要评述。     

碳纳米多孔宏观体在水体净化中的应用

碳纳米多孔宏观体是指由碳纳米材料自组装形成的宏观多孔材料。该材料保持了碳纳米材料大的比表面积及化学、热稳定性,对水体中的污染物,如油污、染料分子及重金属离子等具有良好的吸附性能。此外,该类材料具有宏观结构及稳定的机械性能,方便操作,且易实现所吸附物的回收及吸附材料的再生。因此,碳纳米多孔宏观体成为碳纳米材料研究和应用的热点。本文梳理了碳纳米多孔宏观体的制备及其在水处理中的应用,包括碳纳米多孔宏观体的制备、污染物吸附及材料再生等。首先对碳纳米多孔宏观体用于水体净化的背景进行了介绍,之后,按照组成单元不同,将碳纳米多孔宏观体按照碳纳米管多孔宏观体,石墨烯多孔宏观体,碳纳米纤维多孔宏观体及碳纳米粒子多孔宏观体进行了分类。第三部分,详细介绍了制备碳纳米多孔宏观体的三种常见方法并分别讨论了各种方法的优缺点及所制备产物的性质。第四部分,按照不同污染物种类讲述了碳纳米多孔宏观体在水体净化中的应用。最后,针对碳纳米多孔宏观体在水体吸附应用中存在的问题进行了分析及展望。     

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。     

石墨烯迷你马达的自组装制备及其乙醇驱动运动和油品吸附性能

石墨烯三维(3D)宏观体多集中在厘米尺度并为实心对称结构,且存在“小尺寸”和“低密度”难以协调的矛盾。 本文以氧化石墨烯为前驱体、苯胺为交联剂,在电动搅拌下通过剪切力驱动聚集和毛细管力干燥协同自组装制备球状氧化石墨烯水凝胶,经过高温还原得到石墨烯迷你马达。 所得石墨烯迷你马达具有尺寸小(直径2~5 mm)、密度低(0.2~0.7 g/cm³)、内部空心结构以及疏水亲油的性能。 上述结构特征赋予其乙醇驱动运动和油品吸附性能。 研究表明,充分浸泡乙醇的石墨烯迷你马达在水中可以展现出自转速度3 r/s的无规则快速运动;对水中植物油的饱和吸附量约为794.9 mg/g。     

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。     

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。     

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。     

石墨烯的三维组装及其应用

石墨烯是一种具有独特的物理和化学性质的二维碳材料。将石墨烯进行三维组装可以实现纳米材料内嵌到宏观器件中,从而可拓宽石墨烯的应用范围。本文通过对近几年发表的有关石墨烯三维组装文章的分析,概括了几种制备石墨烯三维结构的方法,并阐述了其在能源、环境、生物、催化、传感器以及电子器件等方面的应用。最后对石墨烯的三维组装进行了小结和展望。     

石墨烯基气凝胶小球的可控制备

石墨烯气凝胶是由二维石墨烯片层组装成的三维宏观材料,因其孔隙率高、比表面积大和密度低等特点在水体污染物的吸附去除方面具有广阔的应用前景,已成为当今的研究热点.然而相关研究大多集中在块体石墨烯气凝胶,对于气凝胶小球的研究较少.本文结合相关领域的最新研究进展,综述了石墨烯基气凝胶小球的制备方法,包括静电喷雾、静电纺丝、微流...     

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。     

三维(3D)石墨烯及其复合材料的应用

三维（3D）石墨烯通常是指具有3D结构的二维（2D）石墨烯组装体,是近年来石墨烯化学领域的新型功能性材料。将2D石墨烯片整合成具有3D结构的组装体可以有效调控石墨烯的电学、光学、机械、化学和催化特性,因此3D石墨烯材料不仅具有石墨烯固有的理化性质,其三维多孔的微/纳米结构还使其兼具比表面积大、机械强度高、电子传导能力优越及传质快速等优良特性。这些独特的性质使3D石墨烯及其复合材料在材料科学领域备受关注。研究发现,3D石墨烯及其复合材料应用于纳米电子学、能量储存和转换、化学和生物传感等研究领域均表现出优越的性能。本文结合当前研究热点,综述了3D石墨烯及其复合材料在催化、储氢/气体吸附、传感器、环境修复、超级电容器等领域中的应用进展,并简要评述目前3D石墨烯材料应用中所面临的挑战及发展前景。     

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.     

CO_2响应石墨烯体系的制备及其性能研究

利用CO_2响应性的含芘聚合物(PNDV)作为分散剂,通过π-π共轭作用力成功附着在石墨烯表面,从而制得一种稳定的石墨烯分散体系。采用UV-Vis、IR、荧光光谱和透射电子显微镜对体系中石墨烯的分散性和CO_2响应性能进行表征。结果表明:PNDV可修饰在石墨烯表面,形成含芘聚合物和石墨烯的杂化体(PNDV-RGO),得到稳定均匀的石墨烯分散溶液。透射电镜显示石墨烯在体系中以单片层形式分布,最大宽度约1μm。在交替通入CO_2/N2后,PNDV-RGO杂化体表现出明显的分散/聚集现象。     

高活性、可循环的Pt-Cu@3D石墨烯复合催化剂的制备和催化性能（英文）

以氧化石墨烯为前驱体,通过氧化还原法制备了具有三维大孔稳定结构的Pt-Cu@3D石墨烯催化剂。作为载体,三维石墨烯的宏观大孔结构具有大比表面积,可以更好地促进催化反应中的传质过程。以对硝基苯酚的还原为模型反应,通过实验确定Pt与Cu的最佳质量比为3:5,利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)和能量色散X射线光谱(EDX)等方法对最优催化剂的结构进行了表征。催化测试表明复合催化剂在对硝基苯酚还原反应中具有高效稳定、低成本、可循环的良好性能。     

石墨烯三维结构组装体制备及光热水蒸发和水处理研究进展

水资源短缺是世界长期面临的问题,当前全球80多个国家的约15亿人口面临淡水不足,其中26个国家的3亿人口完全生活在缺水状态。近年来,人们开发了新型太阳能界面水蒸发材料和技术,能够利用高效光热材料吸收太阳能转化为热能,实现大量的、快速的水蒸发,冷凝后收集便得到洁净水,是一种高效、绿色、低成本水处理和解决水资源短缺的方法。石墨烯三维组装体材料的物理和化学性质优异,光热转化效率高,同时其太阳光吸收率高,内部微纳孔道丰富,具有良好的水传输通道,表面水蒸发面积大,在太阳光照射下能够实现超高的水蒸发速率,在光热水处理方面展现了巨大的科学研究意义和实用价值。本文将综述石墨烯三维组装体的制备及光热水处理方面的研究进展,包括石墨烯三维结构组装体制备方法,其光热水蒸发性能,总结了石墨烯三维结构组装体在光热水蒸发及水处理方面的应用,最后分析了石墨烯三维结构组装体光热水处理面临的问题及展望。     

新型Li_4Ti_5O_(12)@石墨烯的微波辅助合成及电化学性能研究

将钛酸四丁酯和氧化石墨超声分散于叔丁醇,微波辐射下加入醋酸锂溶液制备尖晶石Li4Ti5O12(LTO)前驱体/氧化石墨烯。一方面,微波作用促进了钛酸四丁酯水解,前驱体的形成能在15 min内完成。另一方面,叔丁醇的"软模板"限域作用导致形成粒子极小且形貌单一的LTO前驱体。同时,细小的LTO前驱体粒子通过二次团聚将氧化石墨烯纳米片完全包埋。最后,LTO前驱体/氧化石墨烯在800℃下煅烧8 h得到尖晶石LTO@石墨烯(LTO@G)。研究表明,LTO@G晶体尺寸在0.2~1.5μm之间,其振实密度达到1.7 g·cm-3。石墨烯位于晶体内部,并显著提高了材料的电子传导性。LTO@G的电导率为1.84×10-3 S·m-1,远高于纯相LTO(1.1×10-7 S·m-1)。1C和4C下,LTO@G首次充放电容量分别是170.1和97.5 m Ah·g-1。可见,LTO@G具有高倍率性能和振实密度,可广泛应用于各种商品锂离子电池。     

超高真空下纳米石墨烯磁性及调控

纳米石墨烯在磁学上的优异表现开始获得了更多的关注和研究。由于不饱和电子的存在,磁性纳米石墨烯的湿法化学法合成难度提高,借助超高真空下的表面催化,可以精确地实现将设计好的前驱体分子向磁性纳米石墨烯转变。相较于过渡金属的磁性,纳米石墨烯拥有更高的自旋波刚度、更弱的自旋-轨道耦合作用、更为精细的耦合作用、更长的自旋寿命,使其在自旋电子器件以及基础研究领域拥有很高的研究潜力。由于不饱和电子的存在,提高了湿法化学法合成出磁性纳米石墨烯的难度。近年来,借助超高真空下的表面催化,可以精确地实现将设计好的前驱体分子制备成磁性纳米石墨烯。进一步地,可以利用通过针尖操纵以及将磁性纳米石墨烯进行连接形成二聚体或者磁性链来进行磁性调控和研究。本综述结合近几年超高真空下纳米石墨烯的磁性研究,介绍了纳米石墨磁性的产生和利用超高真空扫描隧道显微技术对其结构和磁性的表征,以及在此基础上对纳米石墨烯磁性的磁序调控。     

增强功能化石墨烯分散性及热稳定性的共价修饰策略

氧化石墨烯(GO)是石墨烯应用过程中非常重要的前驱体之一,然而源于其热不稳定性且只能分散于高极性溶剂中,限制了它的进一步发展。基于氧化石墨烯的共价功能化技术可以较好地克服以上缺点,对于发展具有阻燃性能的新型复合材料具有重要的理论及实践意义。本文针对GO上不同反应基团,综述了利用共价化学修饰策略制备具有高分散性及热稳定性的功能化石墨烯纳米材料的研究进展。