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2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-张锦院士课题组研究成果汇总

2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-张锦院士课题组研究成果汇总

张锦院士主要从事纳米碳材料的控制制备及其拉曼光谱学研究,发展了碳纳米管系列结构控制生长方法与分离技术,率先提出石墨烯增强拉曼光谱技术,实现了平整基底上拉曼信号的增强和任意形貌表面上微量物质的直接检测。在这里,我们选取了张锦院士课题组部分研究工作,包括石墨炔的制备与应用、单壁碳纳米管合成、锂硫电池、单原子催化剂、二维材料差异等。

1. Chem. Soc. Rev.:石墨炔的合成、性质及应用

石墨炔(Graphdiyne GDY)是一种新的二维碳同素异形体,具有独特的sp-sp2碳原子、均匀的孔结构和高π共轭结构,在气体分离、催化、水修复、湿度传感器以及能源领域具有潜在的应用前景。近年来,我国在发展高质量的GDY方面付出了巨大的努力,但GDY材料仍然面临着许多挑战,包括更深入地了解GDY薄膜的生长机理、单层或多层单晶GDY薄膜的制备策略、基本物理化学性质的表征以及应用前景。张锦院士课题组这篇综述总结了GDY和GDY基材料的合成、结构、电子、机械、光谱等性能及其在纳米技术中的应用。

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文章信息:Graphdiyne: synthesis, properties, and applications. Chem. Soc. Rev., 2019. DOI:10.1039/c8cs00773j

2. Advanced Materials:少层石墨炔合成方法的探讨

石墨烯(GDY)在电子器件、催化、电化学储能和非线性光学等领域具有广泛的应用前景。少层GDY的合成对电子应用和结构表征都具有重要意义。为了得到少层GDY材料,研究者们使用了各种不同的方法。这篇论文总结了GDY的最新进展,着重探讨了少层GDY合成方法,分析了GDY合成的阻碍和挑战。在这篇综述中作者着重分析了各种方法的优缺点,这些合成方法为少层或单层GDY薄膜的合成提供了相当大的启发。

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文章信息:Exploring Approaches for the Synthesis of Few-Layered Graphdiyne. Advanced Materials, 2019. DOI:10.1002/adma.201803758

3. Small:氢取代石墨炔薄膜用于锂硫电池

考虑到炔烃复分解反应的动力学性质,北京大学张锦元院士联合重庆大学陈昌国教授以1,3,5-三苯基苯(TPB)为前驱体,在气液界面上成功合成了氢取代石墨炔薄膜(HsGY)。合成的HsGY薄膜具有层状结构,用于载硫,作为锂硫电池正极(LSBs),具有良好的倍率性能和循环性能。进一步研究,HsGY有望成为一种应用于实际LSBs的新型硫载体材料。

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文章信息:Synthesis of Hydrogen-Substituted Graphyne Film for Lithium–Sulfur Battery Applications. Small, 2018. DOI:10.1002/smll.201805344

4. Adv. Funct. Mater:石墨烯/石墨烯异质结构上的Pd原子作为芳香氮还原的有效催化剂

近年来,单原子催化剂(SACs)以最大的原子利用率引起了极大关注。但SACs仍面临很多关键挑战如:如何稳定和避免SACs聚集;如何提高载体的比表面积和导电性;如何以低成本实现可扩展大规模生产。针对以上问题,张锦院士等人发展了一种新的vdW外延方法来制备GDY/G异质结构,采用化学方法在液态剥离石墨烯上制备了少量具有大规模生产能力的层状GDY,采用湿化学方法合成了Pd原子固定在GDY/G表面的Pd原子催化剂。催化性能表明,该催化剂对4-NP还原反应具有显著的催化活性和稳定性。GDY/G异质结构为制备高效、稳定的SACs提供了很好的支持,可广泛应用于未来的工业反应。

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文章信息:Atomic Pd on Graphdiyne/Graphene Heterostructure as Efficient Catalyst for Aromatic Nitroreduction. Adv. Funct. Mater, 2019. DOI:10.1002/adfm.201905423

5. Angew. Chem.:采用浮动碳化物固体催化剂(FSC)合成结构可控的单壁碳纳米管

单壁碳纳米管的可控合成对碳纳米管的进一步应用具有重要意义。然而如何在载体上连续负载固体催化剂来提高产量仍是一个巨大的挑战。针对这个问题,张锦院士等人提出了一种合理制备浮动碳化物固体催化剂(FSC)的方法。通过高温分解二茂钛二氯化物前驱体直接制备了碳化钛(TiC)纳米颗粒FSC。利用TiC纳米粒子FSC,可以根据基质获得具有水平阵列或随机分布网络结构的SWNTs,并在碳化钛(200)面上动态生长了四重对称的单壁碳纳米管。由于催化剂在浮式系统中停留时间短,属于(2m,m)管系的(16,8)管生长较快,纯度可达74%。这项工作为催化剂的设计提供了一个新的方向,也为碳纳米管的气相可控生长提供了新的机会。

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文章信息:Growth of Single-Walled Carbon Nanotubes with Controlled Structure using Floating Carbide Solid Catalysts. Angew. Chem., 2020. DOI:10.1002/ange.202002651

6. Chem. Soc. Rev.:发现二维材料的差异——拉曼散射视角

二维(2D)层状材料在纳米电子学、柔性器件、能源和催化剂等领域的基础研究和器件应用都引起了人们的极大关注。目前迫切需要对二维材料的结构和性能进行精确表征。拉曼散射光谱是一种方便、快速、无创的表征手段,拉曼散射测量对样品制备条件(如基体)的耐受性和技术要求较低,成为表征二维材料的常规工具之一。张锦院士等人的这篇综述总结了二维材料的拉曼光谱表征,特别是与原始二维材料的不同之处,如缺陷、掺杂效应、范德瓦尔斯异质结构以及与分子的相互作用,讨论了这些拉曼特征的差异及其相应原因,这对材料、物理、化学和工程等领域的广泛研究有很大帮助。

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文章信息:Spotting the differences in two-dimensional materials–the Raman scattering perspective. Chem. Soc. Rev., 2018. DOI:10.1039/c7cs00874k

张锦院士简介

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张锦,中国科学院院士、北京大学教授、博士生导师、国家杰青基金获得者、教育部长江学者特聘教授、英国皇家化学学会会士、中组部万人计划科技创新领军人才、科技部重点研发计划首席科学家。

现任北京市低维碳材料工程中心主任,兼任北京大学“纳米器件物理与化学”教育部重点实验室副主任、北京大学纳米化学研究中心副主任、《Carbon》杂志的副主编以及《Nano Res.》、《化学学报》、《物理化学学报》和《光散射学报》的编委。

先后在Nature, Nat. Mater.等上发表SCI论文260余篇,获授权专利20余项。荣获国家自然科学奖二等奖、教育部自然科学奖一等奖(第二完成人)、全国优秀博士学位论文指导教师、中国化学会青年化学奖、教育部“新世纪优秀人才资助计划”和北京大学“十佳”导师等奖励。

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