石墨烯基三维导电网络结构储能电极材料的研究进展

设计和构筑有效的三维导电网络结构对于优化储能电极材料的性能具有重要意义.石墨烯独特二维结构所具有的超高电荷传导、极大的表面负载空间和可形成三维孔(层)隙骨架结构等特性为制备多样化的复合电极材料提供了基础.本文介绍了近年来基于石墨烯的三维网络结构复合电极材料的构筑及其在电化学储能(如锂离子电池、锂硫电池)应用中的研究进展,结合本实验室的研究工作,着重介绍了石墨烯基复合电极材料结构设计的科学原理,讨论了几种石墨烯复合结构,并对未来石墨烯复合结构体系的构筑及其应用作了展望.     

氮掺杂石墨烯的制备及其在化学储能中的研究进展

石墨烯独特的二维空间结构使其具有优异的导电性能、力学性能以及超大的比表面积,被认为是颇具潜力的新型储能材料,是目前储能研究的热点之一。 但是石墨烯易团聚、表面光滑且呈惰性而不利于与其它材料的复合,导致其应用受到限制。 石墨烯掺氮可改变其电子结构,增加表面的活性位,从而提高其应用于储能器件时的电化学性能。 本文综述了近几年氮掺杂石墨烯的制备方法以及其在超级电容器、锂离子电池、锂空电池以及锂硫电池等化学储能领域中的应用,指出了目前氮掺杂石墨烯在制备和储能应用中关注的核心问题,并对氮掺杂石墨烯的发展前景进行了展望。     

二维炭基多孔材料的合成及应用（英文）

二维材料是指厚度在纳米尺度,且在两个维度(长和宽)具有较大尺寸的材料。与块体材料相比,二维材料最大的特点是具有极高的表面/体积比,有利于传质、传热和离子扩散,因而在吸附、催化以及储能等领域有广泛的应用。近年来,随着石墨烯引发的二维材料研究浪潮,二维炭基多孔材料成为全世界关注的研究热点。而二维炭基材料的孔结构是影响其性能的关键因素。本文介绍了近年来二维炭基多孔材料的合成方法,包括炭纳米片及炭-无机复合纳米片的制备,讨论了制备条件对材料孔结构的影响。在此基础上,着重介绍了二维炭基材料在吸附、多相催化及储能方面的应用。最后,对新型炭基二维材料开发中仍存在的关键科学问题进行了总结和展望。     

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。     

石墨烯电子器件的研究进展

石墨烯是一种sp²杂化的平面类蜂窝型二维结构材料,特殊的结构赋予其许多优良的性能,如导电、导热性能好,载流子迁移率高和透射性好等,使其在电子器件领域表现出巨大潜力。 本文从石墨烯在三维集成电路中的应用、石墨烯场效应晶体管、石墨烯有机发光二极管及化学传感器四方面综述了石墨烯电子器件的研究进展及现状。     

三维石墨烯材料制备方法的研究进展

石墨烯是由单层碳原子组成的新型二维碳纳米材料,因其众多独特而优异的理化特性,已成为近年来材料科学领域中最耀眼的明星材料。整合二维(2D)石墨烯形成具有微纳米结构的三维(3D)石墨烯材料,可有效调控石墨烯的电学、光学、化学、机械和催化特性。近期研究发现,基于3D石墨烯构建的功能器件在储能、环境、传感及生物分析领域表现出更为突出的性能。因而,制备新型3D石墨烯材料已成为当前石墨烯化学的研究热点。目前3D石墨烯材料的制备方法主要包括溶液自组装、界面自组装、模板介导合成法等。通过改变原材料或制备方法,可以有效调控3D石墨烯柔韧性、多孔性、活性面积、电子传递速度及传质等性能。本文介绍了当前3D石墨烯材料制备方法的研究进展,并简要评述3D石墨烯材料制备研究中所面临的挑战及应用前景。     

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。     

CVD 法制备三维石墨烯的电化学储能性能

维石墨烯是由二维石墨烯构成的三维网络结构,多孔的网络结构赋予了三维石墨烯超大的比表面积、超高的机械强度以及优异的电子传输通道. 因其优异的性能,三维石墨烯及其复合材料已经广泛地应用于能源、化学和生物等研究领域. 在三维石墨烯的合成方法中,化学气相沉积法由于制备的三维石墨烯具有高纯度、良好结晶性和优异的机械性能而备受推崇. 本文结合当前研究热点,综述了化学气相沉积法制备三维石墨烯及其复合材料在电化学储能领域（铝电池、锂离子电池、锂-硫电池、钠离子电池、金属-空气电池、超级电容器）中的应用,并简要评述当前化学气相沉积法制备三维石墨烯在应用中所面临的挑战及发展前景.     

氧化石墨烯/聚合物复合水凝胶的研究进展

氧化石墨烯是一种具有单原子厚度的二维材料, 具有优异的力学性能和良好的水分散性, 其表面有大量的含氧官能团. 将氧化石墨烯引入水凝胶体系中可以提高水凝胶的机械性能, 丰富其刺激响应的类型. 目前, 氧化石墨烯水凝胶在高强度、 吸附、 自愈合及智能材料等很多领域均有出色的表现. 氧化石墨烯水凝胶的研究已有10年的历史. 本文总结了氧化石墨烯水凝胶的制备方法, 归纳了智能氧化石墨烯水凝胶在光热响应、 pH响应和自愈合3个方面的响应机理和研究进展, 并综合评述了其在高强度水凝胶、 生物医学、 智能材料和污水处理等方面的应用前景.     

三维石墨烯凝胶电极的制备及在电容去离子中的应用

采用液相还原法制备了石墨烯水/气凝胶三维石墨烯宏观材料,并将其作为电极应用于电容去离子中,以氯化钠作为研究对象,研究三维石墨烯凝胶电极在电容去离子中的性能.利用扫描电子显微镜、循环伏安曲线和X射线光电子能谱等多种手段考察了电极的形貌结构及特性.对比了石墨烯水凝胶与气凝胶电极应用于去离子电容中的性能差异.结果表明,水凝胶电极相对于气凝胶电极具有较好的去离子性能;采用压片法进一步对石墨烯水凝胶电极材料进行优化,结果表明,压片水凝胶、水凝胶和气凝胶3种电极材料在去离子电容中均具有较好的电容去离子效果,其电吸附容量从大到小的顺序:压片水凝胶水凝胶气凝胶.石墨烯水凝胶作为电极材料在电容去离子中具有较好的应用前景.     

三维石墨烯-聚合物复合材料制备方法研究进展

石墨烯是一种具有蜂窝状结构的二维纳米碳材料,具有高的比表面积、优异的导电/热性和理想的机械强度,因而被广泛用作聚合物基复合材料的增强填料。将二维石墨烯片构筑成三维石墨烯,既能充分发挥二维石墨烯片的性质,又能具备三维材料的特性。聚合物填充三维石墨烯制备的实心三维石墨烯-聚合物复合材料(Three-Dimensional Graphene-Polymer Composites,3DGPCs),可实现石墨烯在基体中的均匀分散,制备具有优异力学性能的导电、导热复合材料。以石墨烯三维网络为骨架制备的多孔3DGPCs具有高孔隙率、大比表面积和高电子传输能力等特性,可广泛应用于能量存储、环境保护、传感、电磁屏蔽和油污清理等领域。本文综述了3DGPCs的制备方法,并评述了制备3DGPCs所面临的挑战及发展前景。     

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。     

高结构稳定性、低泄漏率三维铜@石墨烯复合相变材料的制备

由于能源消费需求的持续增长和传统化学燃料的日益枯竭,对可再生能源的需求日益迫切。以地热能、太阳能为代表的可再生能源脱颖而出。然而,这些能源的应用易受到天气、季节、地点和时间的影响,具有不稳定性、随机性、波动性和间歇性。储能技术是解决上述问题的有效途径,它可以在需要的时候储存或释放能量。在各种储能技术可选材料中,相变材料(PCMs)是智能热能管理和便携式热能领域的有力候选者。大多数相变材料都存在导热系数低、环境污染、熔点泄漏等问题,因此有必要将相变材料封装到支撑骨架材料中。事实上,支撑材料在应用中仍面临着一些重大挑战。首先,骨架材料应能抵抗相变材料在相变过程中的体积变化,即具有良好的结构稳定性。其次,还应具有较高的导热系数和较低的泄漏率。石墨烯气凝胶(GA)已被证明是提高相变材料形状稳定性的有效支撑骨架,但相变引起的泄漏和网络结构的脆性是制约其应用的关键问题。在此,我们提出了一种双脉冲电镀的强化策略,用于制备铜@石墨烯气凝胶(Cu@GA)作为相变储能骨架材料。这一结构设计中,石墨烯气凝胶上的石墨烯片层上均匀地镀上了铜层,且不同片之间被铜镀层所连接。这种铜增强石墨烯气凝胶网络结构赋予复合材料良好的导热性和坚固的骨架稳定性,有利于增强相变换热和抑制相变过程中的泄漏。此外,通过真空浸渍法将十八胺(ODA)封装在Cu@GA骨架中,获得了结构稳定性高、泄漏率低的复合相变材料(Cu@GA/ODA),保证了ODA在Cu@GA骨架材料中的均匀分散和填充。通过比较复合相变材料的重量变化,研究了不同骨架对复合相变材料泄漏率的影响。优化后的复合相变材料(CPCM)Cu@GA/ODA经20次储热、放热循环后,泄漏率降低至19.82% (w,质量分数),而GA/ODA和GOA/ODA为骨架的复合相变材料的泄漏率分别为80.31% (w)和72.99% (w)。为了探讨这种影响的原因,用扫描电子显微镜(SEM)观察了循环后骨架的形貌。铜/石墨烯气凝胶(Cu@GA)骨架材料没有明显的收缩或坍塌,仍可以保持完整的三维网络结构,而氧化石墨烯气凝胶(GOA)和石墨烯气凝胶(GA)的骨架材料三维结构不复存在,且在氧化石墨烯/石墨烯片能够观察到明显的裂隙。铜涂层可以提高骨架的微观结构稳定性,有利于提高结构稳定性,降低复合材料的泄漏率。同时,该研究为构建理想的金属增强石墨烯气凝胶复合骨架材料铺平了新的道路,该复合材料具有优异的综合性能,可用于未来的相变储能、多孔微波吸收和储能应用。     

石墨烯及其复合材料在锂离子电池中的应用

石墨烯是一种单原子层厚度的石墨材料,具有独特的二维结构和优异的电学、力学以及热学性能。同时它也是一种具有良好应用前景的锂离子电池电极材料。电极材料的微观结构对其性能有很大影响,利用石墨烯获得具有特殊形貌和微观结构的电极材料,能有效改善材料的各项电化学性能。本文综述了石墨烯及其复合材料在锂离子电池中的应用研究进展。在负极复合材料中,石墨烯不仅可以缓冲材料在充放电过程中的体积效应,还可以形成导电网络提升复合材料的导电性能,提高材料的倍率性能和循环寿命。通过优化复合材料的微观结构,例如夹层结构或石墨烯片层包覆结构,可进一步提高材料的电化学性能。在正极复合材料中,石墨烯形成的连续三维导电网络可有效提高复合材料的电子及离子传输能力。此外,相比于传统导电添加剂,石墨烯导电剂的优势在于能用较少的添加量,达到更加优异的电化学性能。最后对石墨烯复合材料的研究前景进行了展望。     

一步法制备TiO_2/石墨烯复合多孔薄膜应用于增强光催化活性及光伏性能（英文）

纳米二氧化钛具有制备简单、成本低、化学稳定性好及光响应度高等诸多优势,因而广泛应用于光催化及太阳能转化等诸多领域中.然而,传统TiO_2纳米材料受限于较高光电子空穴复合率,导致其光催化活性及光电转化效率较低.为解决这一问题,研究者采用多种方法用以改善纳米TiO_2的结构,包括化学掺杂、半导体材料插层、碳材料杂化等;另一方面则关注材料结构的设计,例如将合成的纳米材料进一步加工为多孔薄膜,以增大材料比表面积及器件稳定性,以增强其器件性能.其中,将石墨烯引入纳米TiO_2中,形成复合纳米材料,以提升材料本身的光电子传输效率,降低光生载流子复合率,为制备高性能光催化剂及光伏器件开辟了一条可行之路.然而,目前制备的纳米TiO_2/石墨烯复合材料的性能仍不理想,其中常见的问题为合成的材料团聚严重,导致光生载流子在界面传输阻力及复合率都十分高,限制其实际应用.此外,当前大多数关于纳米TiO_2/石墨烯的制备方法仍为溶胶凝胶法、水热法等,所得材料需要进一步进行微纳加工方能形成介孔结构;这些加工方式往往需要二次退火处理,这会进一步加重纳米材料的团聚现象,导致孔隙率分布混乱、材料界面缺陷增多等不良结果.因此,本文采用一步法-蒸汽热法成功制备了TiO_2/石墨烯复合多孔薄膜,无需二次热处理.实验结果表明,所制TiO_2/石墨烯复合物(VTH)的形貌为二维结构,其比表面积高达260 m~2g~(–1),获得的多孔薄膜无明显团聚且孔隙分布集中.当复合物中还原氧化石墨烯含量为5.0wt%时,其光催化活性最高,高于单一的TiO_2薄膜近3倍;将还原氧化石墨烯含量为0.75wt%的复合物用于染料敏化太阳能电池的光阳极时,光电转化效率达到7.58%,明显高于传统方法制备的单一TiO_2的(4.38%).     

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.     

石墨烯化聚合物:一种兼具电子和离子传输通道的三维富碳高分子能源材料

近年来,用于电化学能源存储和转化的石墨烯材料,得到了研究者们越来越多的关注。但是,这些石墨烯材料不同于严格定义的单原子碳层结构,往往具有孔洞、杂原子和化学官能团等缺陷结构。由于制备方法的不同,缺陷结构各不相同,其电化学性能也表现各异。结构分析表明,这类材料是由类似石墨烯片段的单元与聚合物链共价连接而成,使其具有石墨烯和聚合物的双重特性,我们称之为石墨烯化聚合物。由小分子通过自下而上的方法制备的多孔聚合物,也可以通过进一步热交联等方法,使其形成包含石墨烯片段单元与聚合物链的化学结构。这些材料与石墨烯衍生材料一起组成了石墨烯化聚合物的整个谱系;这个谱系涵盖了由聚合物到石墨烯的过渡区。更重要的是,这类材料特殊的结构与性质,使其成为一种兼具电子和离子传输通道的三维富碳高分子材料,非常适合作为电极材料应用于电化学能源存储和转化,这为我们深入研究储能器件中电极材料的结构与性能的相关关系提供了很好的材料平台。     

类石墨烯化学中的挑战与机遇

类石墨烯结构超薄的厚度、较大的比表面积和优良的柔韧性为满足人们对便携式透明纳米器件的需求带来了希望.将类石墨烯结构的制备从典型层状材料扩展到层间具有较强作用力的准层状材料以及非层状材料,不但能够丰富类石墨烯材料的种类,而且还可能带来一系列革新的性能和广泛的应用.但是,由于类石墨烯材料在第三维度上缺乏长程有序,使其低维结构的表征和清晰构效关系的建立较为困难.本文系统总结了典型层状结构、准层状结构以及非层状结构类石墨烯材料的制备方法,调研了最近对类石墨烯材料精细结构和缺陷结构的研究进展以及对类石墨烯材料电子结构的调控方法,强调了它们结构-性质之间的关系.另外,描述了基于类石墨烯结构的透明、柔性器件在光电化学催化、光探测器、光电转换、超级电容器等领域中表现出的优异性能和广阔的应用前景.期望本文能够加深人们对这一领域的理解,为今后高效能源器件的设计提供指导.     

石墨烯的光化学修饰方法

石墨烯是由sp2杂化碳原子组成的具有蜂窝状结构的二维原子晶体.石墨烯的共价化学修饰是石墨烯研究领域的一个新的热点,也是石墨烯材料的表面改性和能带调控、以及合成新型二维石墨烯衍生物的重要途径.完整的二维蜂窝结构和离域大π键使得石墨烯的化学性质非常稳定,难以通过常规的化学反应获得高效的表面修饰,这是石墨烯共价化学的主要挑战.近年来,我们发展了一系列基于光化学原理的石墨烯共价修饰方法,利用光化学过程产生的活性自由基实现了石墨烯的高效共价加成和氧化反应,为石墨烯的光化学能带工程奠定了理论和实验基础.本文将以这些研究成果为主线,系统地阐述石墨烯的光化学修饰方法及其二维反应特性,并对该领域的未来发展趋势和所面临的挑战进行简要的展望.     

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。