化学与化经济高校王帅共青团和少先队再而三发布文书国际质地化学期刊

威尼斯官方网站登录,  1月18日,《纳米能源》正式接收了化学与化工学院王帅教授团队的文章《基于金通过Å级孔道对α型二氧化锰掺杂的超高储能三维电极》。

科学家们研究了一个真正的单层,即大面积石墨烯薄膜覆盖在大面积铜箔上。改进了化学气相沉积生长方法,消除了石墨烯生长在铜箔上的所有碳杂质。这种均匀“完美”的单层单晶石墨烯有望被用作超高分辨率透射电镜成像和光学设备的超薄支撑材料。也可作为一种合适的石墨烯,以实现非常均匀的功能化,这将促使推动许多其他应用,特别是用于各种类型的传感器。

  王帅教授团队近期在国际材料化学领域顶级期刊发表多篇高水平文章,在高质量大面积单层石墨烯制备及柔性器件领域取得最新研究成果。先后在《先进材料》发表两篇高水平论文,《氧化性刻蚀辅助法生长厘米级单晶石墨烯》,《有机薄膜场效应晶体管用的高迁移率DPP共聚高分子》(《High-Mobility
Diketopyrrolopyrrole-Based π-Conjugated Copolymers for Organic Thin-Film
Transistors》Adv. Mater. 2015, 27,
3589-3606);在《ACS纳米》发表论文《生长石墨烯中晶界的动力学形成规则》;在《纳米快报》发表论文《基于氮掺杂碳纳米管/金掺杂二氧化锰的超快全固态薄膜超级电容器》。

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  用化学气相沉积法制备高质量石墨烯薄膜,是实现其高迁移率和导电性能,在光电子器件领域中应用的前提。目前,制备的主要问题集中于降低成核密度,提高石墨烯单晶晶粒尺寸,减少石墨烯晶界的形成,保证石墨烯较高的电学传输性能。已报道的降低成核密度的方法均不适用于规模化的工业生产,王帅教授团队通过氧化性刻蚀辅助法,在无需任何复杂前处理工艺的条件下,成功实现了厘米级单晶石墨烯的制备。通过调节生长气氛中微量的氧化性杂质控制石墨烯的成核密度和生长速率。团队通过改进化学气相沉积设备,在气路中加入干燥装置以除去大多数水蒸气杂质,通过调控氧气浓度,实现对石墨烯成核点和生长速率的精确调控。

来自Ulsan国家科学技术研究所基础科学研究所多维碳材料中心的Rodney
Ruoff主任,领导的这个研究小组。这似乎是一系列关于单层石墨烯类似中最新的一个。然而,这一成果与之前数千篇论文的不同之处在于,它们都没有真正描述大面积的单层石墨烯,Adlayers一直存在。IBS的科学家们改进了化学气相沉积生长方法,消除了石墨烯生长在铜箔上的所有碳杂质。

  此外,通过对聚合物主链及侧链的修饰、以及金属和非金属对碳管进行掺杂,提高材料的光物理性质、分子堆积及其器件性能,开发出了大面积、全柔韧性、高性能场效应晶体管器件和超级电容器。如在碳布基底上组装氮掺杂碳管/金掺杂二氧化锰的三维中空纳米复合电极,并以此电极分别组装成对称和非对称的全固态薄膜超级电容器,充分利用纳米材料的多方面优势加速电子在活性材料中的传递,进而实现超级电容器的快速充电。

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  课题组吕其英博士另辟蹊径,采用电沉积方法在氧化锌纳米柱上生长金掺杂α-型二氧化锰纳米复合膜,首次解决了α-型二氧化锰导电性差的缺点,为实现α-型二氧化锰在超级电容器中应用提供了重要的理论依据和设计方向。该研究工作是采用电沉积方法在氧化锌纳米柱上生长金掺杂α-二氧化锰纳米复合膜,得到电化学性能优异的三维纳米复合材料,通过理论计算进一步验证了该方法能使金原子巧妙地掺杂进入α-二氧化锰的晶格,从本质上提高了α-型二氧化锰的导电性。该方法简单易控,可操作性强,且可以推广到更为广泛的储能研究领域,比如锂离子电池、燃料电池等。

金属箔上的化学气相沉积是目前制备大面积高质量石墨烯薄膜最具发展前景的方法。研究小组研究了生长在铜箔上的石墨烯薄膜中为什么会出现“adlayers”,发现薄膜中的碳杂质直接导致adlayers的成核和生长。通过使用飞行时间二次离子质谱和燃烧分析,发现商业铜箔有‘过量的碳’,尤其是在表面附近,深度约为300纳米。通过与世界上最大的铜箔供应商之一,江西铜业有限公司的一位技术专家讨论,研究人员了解到:

  据了解,该研究团队的研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、教育部、湖北省科技厅、湖北省楚天学者计划和学校的支持。目前团队正通过进一步优化电极材料,更大程度地提高超级电容器的能量密度和超快充电能力,探索其在能量存储与转换领域的应用。

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在生产过程中,碳嵌在铜箔中,可能来自用于润滑铜箔在高温轧制时接触的轧辊碳氢基油。在H2温度为1060℃的条件下完全去除碳后,能够实现无adlayfree,从而实现真正的单层石墨烯薄膜。通过同样的方法,IBS的科学家们还在单晶铜箔上获得了无adlayer单层和单晶石墨烯薄膜。该研究的第一作者之一王美辉解释说:我们这样就解决了之前CVD石墨烯薄膜(adlayers
and grain boundaries,
GBs)同时合成中一直存在的两个问题。的确,在大面积上实现层数的完美均匀性,可以用来确保设备性能的一致性。

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Adlayer区域的区别在于,当存在于器件的活动区域时,Adlayer区域的密度和尺寸也不同。除了adlayers,
GBs还存在于CVD制备的多晶石墨烯薄膜中,不同晶体取向的石墨烯岛连接在一起形成薄膜。GBs的存在降低了载流子的迁移率和导热率,降低了机械强度。尽管如此,科学家们在单晶薄膜上留下了一个迷人的特征:这种单晶石墨烯包含高度定向的平行“褶皱”,长度为厘米,宽度约为100纳米,间隔20至50微米。与adlayers和GBs一样,褶皱可以显着降低石墨烯的载流子迁移率。

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