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崔屹ACS Nano: 基于氧化石墨烯電極去除和回收水中重金屬

斯坦福大學崔屹教授報道了一種直流（DC）/交流（AC）電化學方法來處理高濃度和低濃度的重金屬污染的方法，其中采用DC電化學方法可以從使用點水中去除低濃度重金屬離子，而采用AC電化學方法能夠從工業廢水中回收高濃度重金屬離子。

與使用相同的氧化石墨烯電極的吸附相比，電化學沉積方法具有高出2個數量級的容量，因而DC/AC電化學方法在使用點水處理和工業廢物重金屬回收方面都表現出高效率。該成果以題為“Direct/Alternating Current Electrochemical Method for Removing and Recovering Heavy Metal from Water Using Graphene Oxide Electrode ”發表在國際著名期刊ACS Nano上。

二元石墨烯結構：編織結實高效的海水淡化膜

武漢大學/湖南大學袁荃和美國加州大學洛杉磯分校段鑲鋒等人在《科學》上發表文章，介紹了該課題組制作的石墨烯納米篩和碳納米管相結合的二元結構石墨烯薄膜，該薄膜兼具前者的選擇性分離效率和后者的強度優勢。

袁荃等這次制成的新型石墨烯納米篩/碳納米管薄膜不需要聚合物支撐就結實耐用，并兼具多種滲透效率優點，為石墨烯應用于海水淡化打開了一條新的思路。若解決量產問題，未來人們或將能喝上“石墨烯淡化水”。

介電襯底長出“高”“大”石墨烯

顧長志課題組在國際上首次提出并利用“插層法”實現原位、無損地將Si、Ge、Mg、Hf等幾種材料插入石墨烯與金屬的界面之間，并克服重重困難對插層結構進行原位氧化，經過無數次實驗摸索，終于獲得高絕緣性的介電插層，實現了介電襯底上高質量、大面積的石墨烯材料生長。同時，通過石墨烯量子器件的加工印證了介電插層的有效性，引起了國際同行的關注與好評。

寧波材料所在推進石墨烯超級防腐涂層領域取得進展

中國科學院寧波材料技術與工程研究所先進涂料與粘合劑余海斌團隊針對石墨烯/聚合物復合防腐涂層在破損后加速金屬基體腐蝕這一隱患，采用氮化硼納米點（BNNDs）作為商業化石墨烯的分散劑，利用其原子結構和表面化學性能實現其在聚合物中的均勻分散（圖1）。通過化學方法獲得的BNNDs通常含有豐富的親水基團（如羧基和羥基）。這些親水基團可以在水中進行電離，賦予BNNDs優異的溶解性。BNNDs被認為是單層或半層絕緣氮化硼納米片，橫向尺寸小于50nm。BNNDs通過強烈的π-π作用吸附于石墨烯表面，以增加其分散性。同時，BNNDs的存在屏蔽了石墨烯的導電特性，有效抑制了其陰極腐蝕促進活性（圖2）。電化學測試表明，BNNDs改性的石墨烯材料具有優良的防護性能，復合涂層的腐蝕速率相對空白涂層下降了280倍，涂層電阻增加了2個數量級。鑒于BNNDs不會影響石墨烯的本征特性，因此，BNNDs分散石墨烯有望快速推進商業化石墨烯在防腐領域的應用。

圖1（a）BNNDs在石墨烯表面的沉積過程，（b）BNNDs@GNs復合片，（c）BNNDs及石墨烯的分散行為，（d）改性石墨烯聚合物涂層的屏蔽性

圖2 不同涂層體系的腐蝕機理：（a）純環氧涂層，（b-e）改性前后的石墨烯/環氧涂層

研究發現石墨烯-生物膜超級結構及遞藥新模式

中國科學院過程工程研究所與清華大學合作證明了二維材料氧化石墨烯能夠與細胞膜形成三明治超級結構，并實現藥物在膜磷脂層內的有效運輸，開辟了藥物精準遞送新模式，為生物醫藥全新劑型的設計和新型納米粒子的應用提供了方向。

墨烯-生物膜“三明治”超級結構及其在藥物遞送中的潛在應用。（左）模擬圖；（中）冷凍透射照片；（右）膜間遞送藥物（GO-VTB）的優勢結果

重慶研究院在高靈敏石墨烯觸覺傳感領域取得進展

中國科學院重慶綠色智能技術研究院與新加坡國立大學合作，研制了三維微納共形石墨烯柔性力敏電極，并應用于高靈敏柔性壓容式觸覺傳感，相關內容以Flexible, Tunable and Ultrasensitive Capacitive Pressure Sensor with Micro-Conformal Graphene Electrodes 為題發表在ACS Applied Materials & Interface 期刊上，并被選為封面論文進行報道（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11 (16), pp 14997–15006. DOI: 10.1021/acsami.9b02049）。

蘇州納米所等在石墨烯氣凝膠領域取得進展

針對石墨烯氣凝膠目前存在的問題，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張學同領導的氣凝膠團隊通過“局部氧化刻蝕”在氧化石墨烯片層上進行造孔，獲得孔洞氧化石墨烯，隨后將孔洞氧化石墨烯與還原劑分散液高度濃縮，實現其液晶化，進一步經原位溶膠凝膠及超臨界干燥獲得各向異性“孔洞石墨烯”氣凝膠，如圖所示。所得各向異性“孔洞石墨烯”氣凝膠由孔洞石墨烯片層經有序排列而成，表現出規整的三維多孔網絡（規整的孔道/孔壁及孔壁上的大量微孔）、低密度（42-55 mg cm^-3）、高導電性（~165 S m^-1）、高比表面積（537~837 m² g^-1）等諸多優點。最后將該氣凝膠作為電極材料，輔以共晶混合物“水-甲酰胺”作為低溫電解液，構建出可在溫度低至零下40°C的環境中正常工作的柱狀低溫熱電化學池，表現出低離子傳輸阻力（15.7 Ω）及高輸出功率（3.6 W m^-2）。當15個熱電化學池進行串聯組裝成器件時，可實現~2.1 V電壓的穩定輸出，在低溫能源器件應用中表現出重要應用前景。

圖：各向異性“孔洞石墨烯”氣凝膠基本表征：氧化石墨烯片層的透射電鏡照片（a1）及氧化石墨烯液晶的偏光顯微鏡照片（b1），孔洞氧化石墨烯片層的透射電鏡照片（a2）及氧化石墨烯液晶的偏光顯微鏡照片（b2），氧化石墨烯及孔洞氧化石墨烯片層的拉曼光譜（c），各向異性“孔洞石墨烯”氣凝膠的光學照片（d）、掃描電鏡照片（e，f）、力學（g）、電學（h）及比表面積數據（i）。

上海微系統所在石墨烯單晶晶圓制備方面取得進展

中國科學院上海微系統與信息技術研究所石墨烯單晶晶圓研究取得新進展。信息功能材料國家重點實驗室研究員謝曉明領導的石墨烯研究團隊首次在較低溫度（750℃）條件下采用化學氣相沉積外延成功制備6英寸無褶皺高質量石墨烯單晶晶圓。研究論文于4月4日在Small上在線發表(X.F. Zhang, et al, Epitaxial Growth of 6 in. Single-Crystalline Graphene on a Cu/Ni (111) Film at 750 °C via Chemical Vapor Deposition, DOI: 10.1002/smll.2018053)。

左圖：石墨烯單晶晶圓生長設計及實驗結果；右圖：低溫制備的6英寸石墨烯單晶晶圓

蘭州化物所在多孔石墨烯的制備及應用方面取得系列進展

中國科學院蘭州化學物理研究所研究員邱洪燈帶領的手性分離與微納分析課題組率先利用水滑層不完全覆蓋氧化石墨烯部分燃燒策略，開發了一種簡單、快速、高效、低成本制備多孔石墨烯的新方法。結果表明，通過控制鹽模板的含量可以實現多孔石墨烯孔徑的精確調控。此外，研究人員還通過真空抽濾法制備出多孔石墨烯分離膜，實現了鈉、鉀離子的高選擇性分離。

部分燃燒法制備多孔石墨烯

此外，通過上述方法制備的多孔石墨烯固載到多孔硅膠表面，成功制備出多孔石墨烯修飾的液相色譜固定相，并對其親水色譜性能進行了研究；研究人員制備出磁性的多孔石墨烯復合材料；還采用該方法制備出多孔石墨烯/氧化亞銅復合材料以及單純的氧化亞銅納米立方體；制備了多孔石墨烯/氧化鋅納米復合材料和單一氧化鋅納米顆粒，并對該材料在光催化降解染料方面的性能進行了研究。

多孔石墨烯/氧化亞銅復合材料用于NADH的檢測

我國科學家制備出單層石墨烯納米帶

天津大學封偉教授團隊通過含氟自由基切割單壁碳納米管，在世界范圍內首次制備出單層石墨烯納米帶，所申請的國際專利也獲得授權。這是中國科學家首次通過一步法獲得單層石墨烯納米帶，其作為原電池正極材料能量密度較進口產品可提升30％。

Small：球磨剝離石墨烯的可控電化學及傳感應用

華中科技大學化學與化工學院吳康兵教授和湖北大學材料科學與工程學院吳燦副教授合作發表了署名文章（Small，2019，1805567），提出了一種簡單制備高品質石墨烯的方法，并深入探討了球磨時間（0 – 16 h）對所得石墨烯納米片結構和電化學性能的影響規律。研究者相信，此項工作豐富了石墨烯納米片材料電化學性能調控研究領域，為進一步拓展石墨烯的電化學構效關系研究打下了基礎，并豐富了其在電化學傳感方面的內涵。

Small Methods：面向能源領域的石墨烯可控生長和結構調控

中國科學院化學研究所于貴研究員課題組在Small Methods上發表了題為“Recent Advances in Growth and Modification of Graphene‐Based Energy Materials: From Chemical Vapor Deposition to Reduction of Graphene Oxide”的綜述文章，系統分析了近年來化學氣相沉積法和氧化還原法制備的石墨烯運用在不同能源器件中（太陽能電池、鋰離子電池、超級電容器以及電催化水分解）的性能差異。

Nanoscale ：石墨烯探測器助力肺癌的早期診斷

來自埃克塞特大學的一組科學家開發出一種新技術，可以創建一種高靈敏度的石墨烯生物傳感器，能夠檢測最常見的肺癌生物標志物分子。

新的生物傳感器設計可以徹底改變現有的電子鼻（電子鼻）裝置，識別特定蒸汽混合物的特定成分 - 例如人的呼吸 - 并分析其化學成分以確定原因。

英國薩里大學研發石墨烯-碳納米管新型防護方法

在知名學術期刊《Carbon》上發表的一篇論文中，來自英國薩里大學的研究人員詳細介紹了他們使用保護層覆蓋碳納米管催化劑的新方法，該保護層的加入不會影響碳元素擴散，因此可用于保護催化劑免受環境污染，同時保護碳納米管催化劑功能。該技術可允許催化劑被運輸、儲存或精確計量以備將來使用。

信息來源：

烯碳資訊、中國科學報、寧波材料技術與工程研究所、過程工程研究所、重慶綠色智能技術研究院、蘇州納米技術與納米仿生研究所、上海微系統與信息技術研究所、蘭州化學物理研究所、科技日報、materials views china、生物谷、航空工業信息網

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