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2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-刘忠范院士近期工作精选汇总

2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-刘忠范院士近期工作精选汇总

石墨烯是一种新型碳纳米材料,具有独特的二维蜂窝状晶体结构,具有优异的光学、电学、热学、力学特性,因而在光学器件、电子器件、传感器件、电化学储能、复合材料、热学等领域有广阔的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料,引起了科学界和工业界的极大兴趣。刘忠范院士长期致力于纳米碳材料、二维原子晶体材料的CVD生长和纳米化学及新型纳米光电器件与可穿戴技术方面的研究,近期取得的部分研究成果如下:

1.   Adv. Energy. Mater. :石墨烯集流体+GO-PTC电解质助力全柔性锂电池

随着柔性电子技术的发展,柔性锂离子电池应运而生,受到了极大的关注。但目前报道的柔性器件存在机械灵活性差、能量密度低、安全性差等缺点,极大地限制了其商业化应用。针对以上问题,北京大学刘忠范院士、北京石墨烯研究院魏迪研究员团队研发设计了以LiCoO2为正极、Li4Ti5O12为负极、石墨烯膜为柔性集流体、氧化石墨烯-聚偏氟乙烯-三氟乙烯(GO-PTC)作为凝胶聚合物电解质的高能量密度全柔性锂离子电池。与传统液体电解质相比,氧化石墨烯改性的凝胶聚合物电解质具有更高的离子电导率,并提高了柔性电池的安全性。该全柔性锂离子电池电化学性能优异:输出电压2.3V,1C下循环容量为143.0 mAh g-1,能量密度和功率密度比以金属箔为集流体的锂电池高1.4倍,在经历10 0000次机械弯折之后,比容量基本没有损失。即使在剪切状态下,这种柔性凝胶聚合物电池仍能表现出稳定安全的电化学性能。这项工作可为柔性锂离子电池的商业化应用发展起到推动作用。

2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-刘忠范院士近期工作精选汇总

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 :石墨烯石英纤维作为多功能电极

石英纤维是一种广泛应用的增强材料,具有很高的抗拉强度和优异的耐热性,如果具有导电性,则可以在电磁干扰屏蔽、静电耗散和应变传感等方面有更大的应用前景。通过在石英纤维表面涂覆导电聚合物或镀金属薄膜来提高其电导率,已经有很多尝试,但却牺牲了纤维的柔韧性且会造成重金属污染。针对上述问题,刘忠范院士团队设计了石墨烯石英纤维复合结构(GQF),通过强制流化学气相沉积生长方法并实现了批量制备,所得材料兼顾石墨烯优异导电性和石英纤维高机械性能。GQF对有机溶剂蒸气具有较高的灵敏度、响应速度快(< 0.5 s)且具有良好的耐久性(~5000循环),适用于实时仿生气体传感器。此外,研制了基于石墨烯石英纤维的面电阻均匀可调的纤维织物,且具有优越的电热转换效率,推动了其在工业电加热器上的应用。

2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-刘忠范院士近期工作精选汇总

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.:纳米图案化石墨烯制备及其在发光二极管中的应用

在功能基底上直接生长石墨烯薄膜可以避免转移问题,有利于石墨烯的大规模应用。图形化石墨烯的选择性生长将进一步推动石墨烯器件的发展。但目前直接生长的石墨烯仍需要通过曝光、刻蚀等工艺来实现图案化,限制了规模化应用。为解决以上问题,北京大学刘忠范院士、高鹏教授联合中科院半导体研究所的魏同波研究员及韩国蔚山国立科学技术研究所的Feng Ding实现了图案化石墨烯在纳米图形化蓝宝石衬底(NPSS) c平面上的直接生长,并证明了其在高性能紫外发光二极管(UV-LED)上的应用。密度泛函理论(DFT)计算及模拟仿真结果发现,与r-面相比,蓝宝石c-面上的甲烷裂解和活性碳物质扩散的能垒相对较低,并为石墨烯生长提供更多的碳前驱体。实验证明,在NPSS c平面上合成的图案石墨烯是高质量、单层的。图形化石墨烯可实现氮化铝(AlN)的选择性、整齐成核促进低位错密度单晶AlN薄膜的快速外延横向生长,因此,所制备的UV-LED具有较高的发光强度和稳定性。该方法适用于通过衬底设计获得各种图案化石墨烯,将使石墨烯的尖端应用取得更大进展。

2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-刘忠范院士近期工作精选汇总

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.:光热驱动超电电容增强

太阳能是一种可再生的、丰富的能源,有无数的潜在应用有待开发。储能设备在较低的温度下往往性能下降,有时甚至在寒冷的天气下失效,因此,利用可再生技术来刺激这种迟滞性能,不仅对可持续发展的未来很重要,而且可能会激发诸如点火传感器等新概念设备的灵感。在太阳光照下,由于光热效应,超级电容器的电容容量、能量密度和功率密度都得到了很大的提高。北京大学的刘忠范院士联合北京石墨烯研究院的魏迪研究员采用三维分级结构石墨烯作为电极设计制备了超级电容器,其在整个太阳光谱上的吸收率>92.88%,响应时间<200 s,在1太阳照度(1kw m-2)下表面温度变化为~39oC。在1个太阳光照下,赝电容型的电容增加~1.5倍,双电层型电容增加~3.7倍。随后作者对机理进行了定量分析和讨论。该工作为太阳能的应用提供了新的见解,并为储能装置的开发提供了新的设计选择。

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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垂直异质结构的快速生长及其在OLEDs中的应用

高质量、大面积、均匀、垂直堆叠Gr/h-BN异质结构的直接生长对其在电子学和光电子学领域的应用至关重要。然而,主要的挑战在于六方氮化硼(h-BN)衬底的催化惰性,使碳前驱体的分解率很低,因此石墨烯的增长率也相对较低。针对上述问题,北京大学的刘忠范院士、张艳锋教授联合清华-伯克利深圳研究院的邹小龙研究员开发了二茂镍-前驱体-促进方法用于Gr/h-BN垂直异质结构在Cu箔上的快速生长,合成效率提高了8-10倍,石墨烯的结晶质量提升(大单晶畴≈20μm)。该合成路线的主要优点是利用二茂镍分子分解的镍原子作为气体催化剂,根据DFT计算,这能降低石墨烯生长的能量势垒,促进碳源的分解。高质量Gr/h-BN是高性能有机发光二极管器件的完美负极/保护层。这项工作为Gr/h-BN规模制备和高结晶质量的异质结构的快速生长提供了一种全新的途径,将推动其在透明电极、高性能电子器件和能量捕获/跃迁方向上的广泛应用。

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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石墨烯理想与现实的鸿沟

理想的石墨烯是一种由单层碳原子排列成六边形晶格组成的二维材料。自2004年首次成功剥离获得石墨烯以来,理想石墨烯在形貌、物理、机械和光学特性方面的丰富性激发了科学界和工业界的极大兴趣。以可靠、可控和可规模化的方式制备石墨烯为推进石墨烯的实际应用非常重要。化学气相沉积(CVD)为制备大面积、均匀、高质量的石墨烯薄膜提供了机会,然而,与理想的二维石墨烯结构相比,现实中,现有的石墨烯薄膜仍存在固有的晶界缺陷、表面污染、褶皱、生长速率低、需要转移等问题。显然,石墨烯(尤其是工业生产中的石墨烯)与性能优异的理想石墨烯之间仍存在很大的差距。北京大学刘忠范院士和彭海琳教授对近期相关的研究成果进行了总结及综述分析,着重介绍了石墨烯化学气相沉积生长的最新进展和策略,以解决上述问题,弥合这一巨大差距。首先简要介绍了纳米级同素异形体碳的合成背景信息,讨论了石墨烯CVD生长的基本机理和动力学。然后,讨论了改善石墨烯质量的策略,包括结构域大小、清洁度、平整度、生长速度、可扩展性和石墨烯在功能性基底上的直接生长。最后,展望了高质量石墨烯大规模制备相关研究的未来发展。

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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

人物简介

2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-刘忠范院士近期工作精选汇总

刘忠范,北京大学博雅讲席教授、中国科学院院士、发展中国家科学院院士。1983年毕业于长春工业大学,1990年获东京大学博士,1991-1993年东京大学和国立分子科学研究所博士后。1993年6月回北京大学任教,同年晋升教授。1993年获首批国家教委跨世纪优秀人才基金资助,1994年获首批基金委杰出青年科学基金资助,1999年受聘首批长江学者奖励计划特聘教授,2004年当选英国物理学会会士,2011年当选中国科学院院士,2013年首批入选中组部“万人计划”杰出人才,2014年当选英国皇家化学会会士,2015年当选发展中国家科学院院士,2016年当选中国微米纳米技术学会会士,2017年中组部授牌成立万人计划“科学家工作室”。2014年担任苏州大学能源学院名誉院长,2017年担任苏州大学能源与材料创新研究院院长。曾任国家攀登计划(B)、973计划、纳米重大研究计划项目首席科学家、国家自然科学基金“表界面纳米工程学”创新研究群体学术带头人(三期)。1992年获日中科技交流协会“有山兼孝纪念研究奖”、1997年获香港求是科技基金会杰出青年学者奖,2005年获中国分析测试协会科学技术奖一等奖,2007年获高等学校科学技术奖自然科学一等奖,2008年获国家自然科学二等奖、杨芙清王阳元院士优秀教学科研奖,2009年入选全国优秀博士学位论文指导教师,2012年获中国化学会-阿克苏诺贝尔化学奖、宝钢优秀教师特等奖,2016年获日本化学会胶体与界面化学年会Lectureship Award和北京大学方正教师特别奖等。澳大利亚卧龙岗大学名誉教授、华东理工大学名誉教授、香港浸会大学杰出客座教授。

主要从事纳米碳材料、二维原子晶体材料的CVD生长和纳米化学及新型纳米光电器件与可穿戴技术方面研究,发表学术论文逾500篇,获授权中国发明专利30余项。

担任“物理化学学报”主编、“科学通报”副主编,Adv. Mater.SmallNano Res.ChemNanoMat、Graphene Technology、APL Mater.、NPG Asia Mater.、Natural Science Review、J. Photochem.Photobiol.C Phtotochem. Rev.等国际期刊编委或顾问编委。

现任北京石墨烯研究院院长、中关村石墨烯产业联盟理事长及专家委员会主任委员、北京石墨烯科技创新专项(2016-2025)专家委员会主任、中关村科技园区丰台园科协第三届委员会主席、中国国际科技促进会副会长、教育部科技委委员及学风建设委员会副主任和国际合作学部副主任、北京大学纳米科学与技术研究中心主任等职。国家自然科学基金委员会第十四届专家评审组专家、中国化学会常务理事及纳米化学专业委员会创始主任、中国微米纳米技术学会常务理事。第十二届全国人大代表,九三学社中央副主席,九三学社第十三届中央委员和院士工作委员会副主任,北京市人民政府专家咨询委员会委员,北京市科委挂职副主任。

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