《化学修饰石墨烯的可控组装与复合》

点击下载 ⇩

课题来源与背景:自主选择的研究课题,得到科技部重大纳米计划项目《石墨烯材料的宏量可控制备与应用基础研究》2012CB933400;及国家自然科学基金项目《化学修饰石墨烯的自组装》91027028,《石墨烯基新能源材料》51161120361的资助。石墨烯(Graphene)是由单个碳原子层构成的二维纳米材料。它是世界上最薄的材料,同时具有高的力学强度和热导率。因此,石墨烯不仅具有重要的基础研究价值,而且在信息、材料、能源、医学及空天技术等领域具有重要的应用前景。对石墨烯的深入、系统的研究与开发为研制高性能碳纳米材料和器件提供了契机,是纳米科学领域中产生新知识和新技术的重要源头之一。但是,本征态石墨烯不溶解、不溶化,从而不容易加工成型。石墨烯片间具有强的相互作用,易于重新缔合成层状的石墨结构,丧失单层石墨烯的性质。因此课题组开展了关于石墨烯的化学修饰、组装与复合的系统研究,以最大限度利用石墨烯的独特结构与性能,同时拓展其功能。研究目的与意义:建立石墨烯化学修饰的方法,提高其可加工性能。以石墨烯片为组装单元,系统研究其多维度、多级次微结构的构筑和功能化。特别是提出以二维石墨烯片构建三维有序网络结构这一新概念,所获得的材料不仅在新型结构材料、电极材料、催化技术等方面有重要的应用前景,而且可以为制备具有类似结构的新型功能材料提供指导。揭示组装原理,研究组装结构赋予石墨烯材料的新功能,为石墨烯材料组装与功能化提供新知识。发展各种石墨烯与高分子及纳米材料的复合技术,获得系列功能复合材料,拓展石墨烯的功能和应用范围。主要论点和依据:石墨系的化学修饰、组装与复合是开展石墨烯基础与应用研究的关键科学问题之一。石墨烯片从结构上可以看成是分子量巨大的二维共轭高分子。由于其大的离域结构从而不溶解、不软化也不能熔化。因此,不能用普通的高分子加工技术对其加工成型。自组装建立了从微米或纳米尺度石墨烯片到具有实用意义大块材料的桥梁。对石墨烯组装的驱动力以及石墨烯片的形状、大小与边缘效应对组装过程与组装体结构的影响缺乏深入、系统的认识。发展自组装体系,建立新型的自组装技术,揭示自组装规律,必将为研制各种新型石墨烯功能材料提供依据和技术手段。另一方面,对石墨烯进行共价或非共价修饰与复合可以调控其性能或功能,如分散性,自组装特性,光、电性能以及能量存储能力等。但是,石墨烯的组成比较单一,化学活性较低。因此,需要系统研究石墨烯与其它组分,如:常规和生物大分子,纳米粒子之间的相互作用与协同效应,建立新的化学与物理修饰体系和技术。主要创见和创新:(1)最早利用非共价修饰技术改善了石墨烯的可分散性和可加工性,同时以石墨烯的水分散液为原料制备了具有层状结构的柔性石墨烯薄膜。该研究工作克服了石墨烯不能加工成型的缺点,为石墨烯的功能修饰提供了新方法。(2)以石墨烯作为具有单原子厚度的二维组装基元,系统研究了其组装行为。特别是揭示了石墨烯片的三维组装规律,研制了具有高导电性、高力学性能和热稳定性的水凝胶、有机凝胶及复合凝胶。课题组的研究工作带动了国内外同行广泛开展了关于石墨烯凝胶的研究,并促进了石墨烯在催化、能量存储与转换等方面的应用研究。发明电化学还原诱导石墨烯三维有序组装技术,利用该技术制备了孔洞高度取向的石墨烯膜电极。(3)系统研究了石墨烯片的大分子行为,利用类似于大分子选择沉降技术,成功实现了石墨烯片的尺寸分级。并以石墨烯作为具有二维结构的表面活性剂稳定分散了高分子及金属纳米结构,为制备相应的功能纳米复合材料提供了新途径。(4)利用石墨烯的非共价修饰、原位生长技术、溶液静电自组装、层层自组装技术等制备了系列石墨烯基复合材料。特别是制备具有类似贝壳结构的高强度石墨烯/高分子复合膜、石墨烯基复合催化剂。(5)石墨烯材料在能源领域中的应用基础研究。研制了基于石墨烯水凝胶及有机凝胶的超级电容器,该类电容器具有高比电容、快速充放电特性和优异的电化学稳定性,特别是研制出了充放电速度达到1.35毫秒可用于交流滤波的超级电容器。率先利用石墨烯作为碳化氮等聚合物催化剂的载体制备了复合催化剂,并将其用于催化燃料电池中的氧气还原。利用石墨烯/导电高分子复合膜代替铂作为染料敏化太阳能电池的对电极,提高了电池的能量转换效率。在包括J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、ACS Nano等重要学术期刊上发表SCI研究论文47篇,共被引用3710次。其中20篇论文是近10年来Highly Cited Papers,8篇研究论文和2篇综述单篇引用次数超过130次,最高单篇引用次数为841次。研究工作被Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Small等杂志的相关综述图文引用与评述,多篇论文被各大出版社认定为当年或近三年来引用次数最多的研究论文。两篇论文被评为中国2011年百篇最有影响的研究论文。社会经济效益:促进知识的全面发展。

  1. 下载详细PDF版/Doc版

提示:为方便大家复制编辑,博主已将PDF文件制作为Word/Doc格式文件。