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能源学院刘忠范院士和孙靖宇教授团队在新型石墨烯功能材料研究领域取得系列进展

石墨烯是碳材料家族中的明星,其优异的理化性质使其成为能源存储、半导体照明、柔性电子等领域的理想材料之选。制备决定未来,在实现石墨烯材料控制制备方面,目标衬底上的无转移直接生长是一条重要的技术路线。然而,目前直接生长的石墨烯材料品质亟待提升,同时其规模化制备还面临诸多困难、无制备装备研发,这些瓶颈都极大限制了石墨烯材料的实际应用。

近年来,能源学院刘忠范/孙靖宇团队基于在非金属衬底上可控生长石墨烯的前期积累,依托99yh银河能源与材料创新研究院、北京石墨烯研究院和北京大学等研究平台,在石墨烯的直接生长及新型石墨烯功能材料的可控创制等研究方面取得系列成果。该团队发展了甚高温生长策略,实现2英寸晶圆级绝缘衬底上高品质石墨烯薄膜的直接生长 (Sci. Adv. 2021, 7, eabk0115; Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2200428, 期刊封面,或成为可匹敌碳化硅外延法制备石墨烯的新技术;借助醋酸铜辅助法解决了直接生长中碳源裂解难的痛点 (Natl. Sci. Rev. 2022, 9, nwab169);提出了含氧助剂策略实现石墨烯在4英寸硅晶圆和石英板材上的均匀生长 (Adv. Mater. 2022, DOI: 10.1002/adma.202206389; Nano Res. 2022, DOI: 10.1007/s12274-022-5299-x; Nano Res. 2021, 14, 260);并开发了大尺寸放量制备技术,首次实现了12英寸石墨烯玻璃及4英寸石墨烯多晶晶圆的批量化制备 (Adv. Funct. Mater. 2022, DOI: 10.1002/adfm.202210771; Nano Res. 2020, 13, 1564)。他们在邀请综述 (Small 2021, 17, 2008017; Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2007068, 期刊封面中对于晶圆级石墨烯的无转移制备方向进行了详细的进展总结与未来展望。

石墨烯功能材料在先进能量存储领域应用广泛,其可控制备和性能调变是亟待解决的问题。该团队借助江苏省先进碳材料与可穿戴能源技术重点实验室99yh银河——北京石墨烯研究院产学研协同创新中心等资源优势,开发基于垂直石墨烯的集流体材料,获得了同行的广泛认可和采用 (Adv. Mater. 2022, 34, 2202902; Adv. Mater. 2022, 34, 2202685; Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2101233; J. Mater. Chem. A 2020, 8, 3027)开创性使用石墨烯原位修饰商用隔膜材料,具有实用化应用前景 (Adv. Funct. Mater. 2022, DOI: 10.1002/adfm.202211978; Nano Res. 2022, 15, 9785; Adv. Mater. 2020, 32, 2003425);发展了新型蒙烯粉体的普适化制备技术,为构建纳米电极材料提供新思路Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2100586; Chem. Eng. J. 2021, 418, 129407; Nano-Micro Lett. 2020, 12, 123);设计了模板介导的直接生长策略,获得高性能碳基电化学储能材料 (Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2109969; J. Energy. Chem. 2022, 66, 474; InfoMat 2021, 3, 891, 期刊封面; Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2001161);并进一步成功实现了在特种衬底 (如锌箔)表面石墨烯及其异质结结构的选控生长,揭示了这类能源材料的本征构效关系 (Adv. Sci. 2022, DOI: 10.1002/advs.202206077; Adv. Mater. 2021, 33, 2105951; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 24558; ACS Nano 2020, 14, 11929)。基于这些成果,团队在最新综述中系统解耦了新型石墨烯功能材料在能源器件应用中的多面手角色,提出了直接生长石墨烯之材料与装备发展的技术路线图 (ACS Nano 2022, 16, 11646)。

上述研究工作得到了科技部国家重点研发计划、JWKJW重点基金、国家自然科学基金面上项目、江苏省杰出青年科学基金、苏州市前瞻性应用研究项目等科研项目的资助。

(能源学院)
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