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            2020深圳石墨烯國際云論壇嘉賓-劉忠范院士近期工作精選匯總

            2020深圳石墨烯國際云論壇嘉賓-劉忠范院士近期工作精選匯總

            石墨烯是一種新型碳納米材料,具有獨特的二維蜂窩狀晶體結構,具有優異的光學、電學、熱學、力學特性,因而在光學器件、電子器件、傳感器件、電化學儲能、復合材料、熱學等領域有廣闊的應用前景,被認為是一種未來革命性的材料,引起了科學界和工業界的極大興趣。劉忠范院士長期致力于納米碳材料、二維原子晶體材料的CVD生長和納米化學及新型納米光電器件與可穿戴技術方面的研究,近期取得的部分研究成果如下:

            1.   Adv. Energy. Mater. :石墨烯集流體+GO-PTC電解質助力全柔性鋰電池

            隨著柔性電子技術的發展,柔性鋰離子電池應運而生,受到了極大的關注。但目前報道的柔性器件存在機械靈活性差、能量密度低、安全性差等缺點,極大地限制了其商業化應用。針對以上問題,北京大學劉忠范院士、北京石墨烯研究院魏迪研究員團隊研發設計了以LiCoO2為正極、Li4Ti5O12為負極、石墨烯膜為柔性集流體、氧化石墨烯-聚偏氟乙烯-三氟乙烯(GO-PTC)作為凝膠聚合物電解質的高能量密度全柔性鋰離子電池。與傳統液體電解質相比,氧化石墨烯改性的凝膠聚合物電解質具有更高的離子電導率,并提高了柔性電池的安全性。該全柔性鋰離子電池電化學性能優異:輸出電壓2.3V,1C下循環容量為143.0 mAh g-1,能量密度和功率密度比以金屬箔為集流體的鋰電池高1.4倍,在經歷10 0000次機械彎折之后,比容量基本沒有損失。即使在剪切狀態下,這種柔性凝膠聚合物電池仍能表現出穩定安全的電化學性能。這項工作可為柔性鋰離子電池的商業化應用發展起到推動作用。

            2020深圳石墨烯國際云論壇嘉賓-劉忠范院士近期工作精選匯總

            原文信息:Shen, W., Li, K., Lv, Y., Xu, T., Wei, D., &Liu,Z.(2020). Highly‐Safe and Ultra‐Stable All‐Flexible Gel Polymer Lithium Ion Batteries Aiming for Scalable Applications. Advanced Energy Materials, 1904281. 

            https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201904281


            2.   Acs Nano :石墨烯石英纖維作為多功能電極

            石英纖維是一種廣泛應用的增強材料,具有很高的抗拉強度和優異的耐熱性,如果具有導電性,則可以在電磁干擾屏蔽、靜電耗散和應變傳感等方面有更大的應用前景。通過在石英纖維表面涂覆導電聚合物或鍍金屬薄膜來提高其電導率,已經有很多嘗試,但卻犧牲了纖維的柔韌性且會造成重金屬污染。針對上述問題,劉忠范院士團隊設計了石墨烯石英纖維復合結構(GQF),通過強制流化學氣相沉積生長方法并實現了批量制備,所得材料兼顧石墨烯優異導電性和石英纖維高機械性能。GQF對有機溶劑蒸氣具有較高的靈敏度、響應速度快(< 0.5 s)且具有良好的耐久性(~5000循環),適用于實時仿生氣體傳感器。此外,研制了基于石墨烯石英纖維的面電阻均勻可調的纖維織物,且具有優越的電熱轉換效率,推動了其在工業電加熱器上的應用。

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            原文信息:Cui, G., Cheng, Y., Liu, C., Huang, K., Li, J., Wang, P., … Liu, Z. (2020). Massive Growth of Graphene Quartz Fiber as a Multifunctional Electrode. ACS Nano.

            https://doi.org/10.1021/acsnano.0c01298 


            3.   Adv. Funct. Mater.:納米圖案化石墨烯制備及其在發光二極管中的應用

            在功能基底上直接生長石墨烯薄膜可以避免轉移問題,有利于石墨烯的大規模應用。圖形化石墨烯的選擇性生長將進一步推動石墨烯器件的發展。但目前直接生長的石墨烯仍需要通過曝光、刻蝕等工藝來實現圖案化,限制了規?;瘧?。為解決以上問題,北京大學劉忠范院士、高鵬教授聯合中科院半導體研究所的魏同波研究員及韓國蔚山國立科學技術研究所的Feng Ding實現了圖案化石墨烯在納米圖形化藍寶石襯底(NPSS) c平面上的直接生長,并證明了其在高性能紫外發光二極管(UV-LED)上的應用。密度泛函理論(DFT)計算及模擬仿真結果發現,與r-面相比,藍寶石c-面上的甲烷裂解和活性碳物質擴散的能壘相對較低,并為石墨烯生長提供更多的碳前驅體。實驗證明,在NPSS c平面上合成的圖案石墨烯是高質量、單層的。圖形化石墨烯可實現氮化鋁(AlN)的選擇性、整齊成核促進低位錯密度單晶AlN薄膜的快速外延橫向生長,因此,所制備的UV-LED具有較高的發光強度和穩定性。該方法適用于通過襯底設計獲得各種圖案化石墨烯,將使石墨烯的尖端應用取得更大進展。

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            原文信息:Chen, Z. , Chang, H. , Cheng, T. , Wei, T. , & Liu, Z. . (2020). Direct growth of nanopatterned graphene on sapphire and its application in light emitting diodes. Advanced Functional Materials.

            https://doi.org/10.1002/adfm.202001483


            4.   Energ. Environ. Sci.:光熱驅動超電電容增強

            太陽能是一種可再生的、豐富的能源,有無數的潛在應用有待開發。儲能設備在較低的溫度下往往性能下降,有時甚至在寒冷的天氣下失效,因此,利用可再生技術來刺激這種遲滯性能,不僅對可持續發展的未來很重要,而且可能會激發諸如點火傳感器等新概念設備的靈感。在太陽光照下,由于光熱效應,超級電容器的電容容量、能量密度和功率密度都得到了很大的提高。北京大學的劉忠范院士聯合北京石墨烯研究院的魏迪研究員采用三維分級結構石墨烯作為電極設計制備了超級電容器,其在整個太陽光譜上的吸收率>92.88%,響應時間<200 s,在1太陽照度(1kw m-2)下表面溫度變化為~39oC。在1個太陽光照下,贗電容型的電容增加~1.5倍,雙電層型電容增加~3.7倍。隨后作者對機理進行了定量分析和討論。該工作為太陽能的應用提供了新的見解,并為儲能裝置的開發提供了新的設計選擇。

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            原文信息:Yi, F., Ren, H., Dai, K., Wang, X., Han, Y., Wang, K., … Liu, Z. (2018). Solar thermal-driven capacitance enhancement of supercapacitors. Energy & Environmental Science, 11(8), 2016–2024.

            https://doi.org/10.1039/c8ee01244j 


            5.   Adv. Mater.:石墨烯/ h-BN垂直異質結構的快速生長及其在OLEDs中的應用

            高質量、大面積、均勻、垂直堆疊Gr/h-BN異質結構的直接生長對其在電子學和光電子學領域的應用至關重要。然而,主要的挑戰在于六方氮化硼(h-BN)襯底的催化惰性,使碳前驅體的分解率很低,因此石墨烯的增長率也相對較低。針對上述問題,北京大學的劉忠范院士、張艷鋒教授聯合清華-伯克利深圳研究院的鄒小龍研究員開發了二茂鎳-前驅體-促進方法用于Gr/h-BN垂直異質結構在Cu箔上的快速生長,合成效率提高了8-10倍,石墨烯的結晶質量提升(大單晶疇≈20μm)。該合成路線的主要優點是利用二茂鎳分子分解的鎳原子作為氣體催化劑,根據DFT計算,這能降低石墨烯生長的能量勢壘,促進碳源的分解。高質量Gr/h-BN是高性能有機發光二極管器件的完美負極/保護層。這項工作為Gr/h-BN規模制備和高結晶質量的異質結構的快速生長提供了一種全新的途徑,將推動其在透明電極、高性能電子器件和能量捕獲/躍遷方向上的廣泛應用。

            2020深圳石墨烯國際云論壇嘉賓-劉忠范院士近期工作精選匯總

            原文信息:Li, Q., Zhao, Z., Yan, B., Song, X., Zhang, Z., Li, J., … Liu, Z. (2017). Nickelocene-Precursor-Facilitated Fast Growth of Graphene/h-BN Vertical Heterostructures and Its Applications in OLEDs. Advanced Materials, 29(32), 1701325.

            https://doi.org/10.1002/adma.201701325 


            6.   Chem. Rev.:跨越CVD石墨烯理想與現實的鴻溝

            理想的石墨烯是一種由單層碳原子排列成六邊形晶格組成的二維材料。自2004年首次成功剝離獲得石墨烯以來,理想石墨烯在形貌、物理、機械和光學特性方面的豐富性激發了科學界和工業界的極大興趣。以可靠、可控和可規?;姆绞街苽涫橥七M石墨烯的實際應用非常重要?;瘜W氣相沉積(CVD)為制備大面積、均勻、高質量的石墨烯薄膜提供了機會,然而,與理想的二維石墨烯結構相比,現實中,現有的石墨烯薄膜仍存在固有的晶界缺陷、表面污染、褶皺、生長速率低、需要轉移等問題。顯然,石墨烯(尤其是工業生產中的石墨烯)與性能優異的理想石墨烯之間仍存在很大的差距。北京大學劉忠范院士和彭海琳教授對近期相關的研究成果進行了總結及綜述分析,著重介紹了石墨烯化學氣相沉積生長的最新進展和策略,以解決上述問題,彌合這一巨大差距。首先簡要介紹了納米級同素異形體碳的合成背景信息,討論了石墨烯CVD生長的基本機理和動力學。然后,討論了改善石墨烯質量的策略,包括結構域大小、清潔度、平整度、生長速度、可擴展性和石墨烯在功能性基底上的直接生長。最后,展望了高質量石墨烯大規模制備相關研究的未來發展。

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            原文信息:Lin, L., Deng, B., Sun, J., Peng, H., & Liu, Z. (2018). Bridging the Gap between Reality and Ideal in Chemical Vapor Deposition Growth of Graphene. Chemical Reviews. doi:10.1021/acs.chemrev.8b00325

            人物簡介

            2020深圳石墨烯國際云論壇嘉賓-劉忠范院士近期工作精選匯總

            劉忠范,北京大學博雅講席教授、中國科學院院士、發展中國家科學院院士。1983年畢業于長春工業大學,1990年獲東京大學博士,1991-1993年東京大學和國立分子科學研究所博士后。1993年6月回北京大學任教,同年晉升教授。1993年獲首批國家教委跨世紀優秀人才基金資助,1994年獲首批基金委杰出青年科學基金資助,1999年受聘首批長江學者獎勵計劃特聘教授,2004年當選英國物理學會會士,2011年當選中國科學院院士,2013年首批入選中組部“萬人計劃”杰出人才,2014年當選英國皇家化學會會士,2015年當選發展中國家科學院院士,2016年當選中國微米納米技術學會會士,2017年中組部授牌成立萬人計劃“科學家工作室”。2014年擔任蘇州大學能源學院名譽院長,2017年擔任蘇州大學能源與材料創新研究院院長。曾任國家攀登計劃(B)、973計劃、納米重大研究計劃項目首席科學家、國家自然科學基金“表界面納米工程學”創新研究群體學術帶頭人(三期)。1992年獲日中科技交流協會“有山兼孝紀念研究獎”、1997年獲香港求是科技基金會杰出青年學者獎,2005年獲中國分析測試協會科學技術獎一等獎,2007年獲高等學??茖W技術獎自然科學一等獎,2008年獲國家自然科學二等獎、楊芙清王陽元院士優秀教學科研獎,2009年入選全國優秀博士學位論文指導教師,2012年獲中國化學會-阿克蘇諾貝爾化學獎、寶鋼優秀教師特等獎,2016年獲日本化學會膠體與界面化學年會Lectureship Award和北京大學方正教師特別獎等。澳大利亞臥龍崗大學名譽教授、華東理工大學名譽教授、香港浸會大學杰出客座教授。

            主要從事納米碳材料、二維原子晶體材料的CVD生長和納米化學及新型納米光電器件與可穿戴技術方面研究,發表學術論文逾500篇,獲授權中國發明專利30余項。

            擔任“物理化學學報”主編、“科學通報”副主編,Adv. Mater.、Small、Nano Res.、ChemNanoMat、Graphene Technology、APL Mater.、NPG Asia Mater.、Natural Science Review、J. Photochem.Photobiol.C Phtotochem. Rev.等國際期刊編委或顧問編委。

            現任北京石墨烯研究院院長、中關村石墨烯產業聯盟理事長及專家委員會主任委員、北京石墨烯科技創新專項(2016-2025)專家委員會主任、中關村科技園區豐臺園科協第三屆委員會主席、中國國際科技促進會副會長、教育部科技委委員及學風建設委員會副主任和國際合作學部副主任、北京大學納米科學與技術研究中心主任等職。國家自然科學基金委員會第十四屆專家評審組專家、中國化學會常務理事及納米化學專業委員會創始主任、中國微米納米技術學會常務理事。第十二屆全國人大代表,九三學社中央副主席,九三學社第十三屆中央委員和院士工作委員會副主任,北京市人民政府專家咨詢委員會委員,北京市科委掛職副主任。

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