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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(xué)崔屹教授報(bào)道了一種直流（DC）/交流（AC）電化學(xué)方法來(lái)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(xué)方法可以從使用點(diǎn)水中去除低濃度重金屬離子，而采用AC電化學(xué)方法能夠從工業(yè)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(xué)沉積方法具有高出2個(gè)數(shù)量級(jí)的容量，因而DC/AC電化學(xué)方法在使用點(diǎn)水處理和工業(yè)廢物重金屬回收方面都表現(xiàn)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(fā)表在國(guó)際著名期刊ACS Nano上。

二元石墨烯結(jié)構(gòu)：編織結(jié)實(shí)高效的海水淡化膜

武漢大學(xué)/湖南大學(xué)袁荃和美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒等人在《科學(xué)》上發(fā)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(jié)合的二元結(jié)構(gòu)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(qiáng)度優(yōu)勢(shì)。

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(jié)實(shí)耐用，并兼具多種滲透效率優(yōu)點(diǎn)，為石墨烯應(yīng)用于海水淡化打開(kāi)了一條新的思路。若解決量產(chǎn)問(wèn)題，未來(lái)人們或?qū)⒛芎壬稀笆┑薄?/span>

介電襯底長(zhǎng)出“高”“大”石墨烯

顧長(zhǎng)志課題組在國(guó)際上首次提出并利用“插層法”實(shí)現(xiàn)原位、無(wú)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(duì)插層結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位氧化，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)摸索，終于獲得高絕緣性的介電插層，實(shí)現(xiàn)了介電襯底上高質(zhì)量、大面積的石墨烯材料生長(zhǎng)。同時(shí)，通過(guò)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(guó)際同行的關(guān)注與好評(píng)。

寧波材料所在推進(jìn)石墨烯超級(jí)防腐涂層領(lǐng)域取得進(jìn)展

中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進(jìn)涂料與粘合劑余海斌團(tuán)隊(duì)針對(duì)石墨烯/聚合物復(fù)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(diǎn)（BNNDs）作為商業(yè)化石墨烯的分散劑，利用其原子結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性能實(shí)現(xiàn)其在聚合物中的均勻分散（圖1）。通過(guò)化學(xué)方法獲得的BNNDs通常含有豐富的親水基團(tuán)（如羧基和羥基）。這些親水基團(tuán)可以在水中進(jìn)行電離，賦予BNNDs優(yōu)異的溶解性。BNNDs被認(rèn)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(guò)強(qiáng)烈的π-π作用吸附于石墨烯表面，以增加其分散性。同時(shí)，BNNDs的存在屏蔽了石墨烯的導(dǎo)電特性，有效抑制了其陰極腐蝕促進(jìn)活性（圖2）。電化學(xué)測(cè)試表明，BNNDs改性的石墨烯材料具有優(yōu)良的防護(hù)性能，復(fù)合涂層的腐蝕速率相對(duì)空白涂層下降了280倍，涂層電阻增加了2個(gè)數(shù)量級(jí)。鑒于BNNDs不會(huì)影響石墨烯的本征特性，因此，BNNDs分散石墨烯有望快速推進(jìn)商業(yè)化石墨烯在防腐領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖1（a）BNNDs在石墨烯表面的沉積過(guò)程，（b）BNNDs@GNs復(fù)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(jī)理：（a）純環(huán)氧涂層，（b-e）改性前后的石墨烯/環(huán)氧涂層

研究發(fā)現(xiàn)石墨烯-生物膜超級(jí)結(jié)構(gòu)及遞藥新模式

中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所與清華大學(xué)合作證明了二維材料氧化石墨烯能夠與細(xì)胞膜形成三明治超級(jí)結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)藥物在膜磷脂層內(nèi)的有效運(yùn)輸，開(kāi)辟了藥物精準(zhǔn)遞送新模式，為生物醫(yī)藥全新劑型的設(shè)計(jì)和新型納米粒子的應(yīng)用提供了方向。

墨烯-生物膜“三明治”超級(jí)結(jié)構(gòu)及其在藥物遞送中的潛在應(yīng)用。（左）模擬圖；（中）冷凍透射照片；（右）膜間遞送藥物（GO-VTB）的優(yōu)勢(shì)結(jié)果

重慶研究院在高靈敏石墨烯觸覺(jué)傳感領(lǐng)域取得進(jìn)展

中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院與新加坡國(guó)立大學(xué)合作，研制了三維微納共形石墨烯柔性力敏電極，并應(yīng)用于高靈敏柔性壓容式觸覺(jué)傳感，相關(guān)內(nèi)容以Flexible, Tunable and Ultrasensitive Capacitive Pressure Sensor with Micro-Conformal Graphene Electrodes 為題發(fā)表在ACS Applied Materials & Interface 期刊上，并被選為封面論文進(jìn)行報(bào)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(lǐng)域取得進(jìn)展

針對(duì)石墨烯氣凝膠目前存在的問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張學(xué)同領(lǐng)導(dǎo)的氣凝膠團(tuán)隊(duì)通過(guò)“局部氧化刻蝕”在氧化石墨烯片層上進(jìn)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(shí)現(xiàn)其液晶化，進(jìn)一步經(jīng)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(jīng)有序排列而成，表現(xiàn)出規(guī)整的三維多孔網(wǎng)絡(luò)（規(guī)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(dǎo)電性（~165 S m^-1）、高比表面積（537~837 m² g^-1）等諸多優(yōu)點(diǎn)。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(gòu)建出可在溫度低至零下40°C的環(huán)境中正常工作的柱狀低溫?zé)犭娀瘜W(xué)池，表現(xiàn)出低離子傳輸阻力（15.7 Ω）及高輸出功率（3.6 W m^-2）。當(dāng)15個(gè)熱電化學(xué)池進(jìn)行串聯(lián)組裝成器件時(shí)，可實(shí)現(xiàn)~2.1 V電壓的穩(wěn)定輸出，在低溫能源器件應(yīng)用中表現(xiàn)出重要應(yīng)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(xué)照片（d）、掃描電鏡照片（e，f）、力學(xué)（g）、電學(xué)（h）及比表面積數(shù)據(jù)（i）。

上海微系統(tǒng)所在石墨烯單晶晶圓制備方面取得進(jìn)展

中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所石墨烯單晶晶圓研究取得新進(jìn)展。信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員謝曉明領(lǐng)導(dǎo)的石墨烯研究團(tuán)隊(duì)首次在較低溫度（750℃）條件下采用化學(xué)氣相沉積外延成功制備6英寸無(wú)褶皺高質(zhì)量石墨烯單晶晶圓。研究論文于4月4日在Small上在線發(fā)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(zhǎng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)用方面取得系列進(jìn)展

中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研究員邱洪燈帶領(lǐng)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(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單、快速、高效、低成本制備多孔石墨烯的新方法。結(jié)果表明，通過(guò)控制鹽模板的含量可以實(shí)現(xiàn)多孔石墨烯孔徑的精確調(diào)控。此外，研究人員還通過(guò)真空抽濾法制備出多孔石墨烯分離膜，實(shí)現(xiàn)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(guò)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(duì)其親水色譜性能進(jìn)行了研究；研究人員制備出磁性的多孔石墨烯復(fù)合材料；還采用該方法制備出多孔石墨烯/氧化亞銅復(fù)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(fù)合材料和單一氧化鋅納米顆粒，并對(duì)該材料在光催化降解染料方面的性能進(jìn)行了研究。

多孔石墨烯/氧化亞銅復(fù)合材料用于NADH的檢測(cè)

我國(guó)科學(xué)家制備出單層石墨烯納米帶

天津大學(xué)封偉教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)含氟自由基切割單壁碳納米管，在世界范圍內(nèi)首次制備出單層石墨烯納米帶，所申請(qǐng)的國(guó)際專(zhuān)利也獲得授權(quán)。這是中國(guó)科學(xué)家首次通過(guò)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(jìn)口產(chǎn)品可提升30％。

Small：球磨剝離石墨烯的可控電化學(xué)及傳感應(yīng)用

華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院吳康兵教授和湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院吳燦副教授合作發(fā)表了署名文章（Small，2019，1805567），提出了一種簡(jiǎn)單制備高品質(zhì)石墨烯的方法，并深入探討了球磨時(shí)間（0 – 16 h）對(duì)所得石墨烯納米片結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響規(guī)律。研究者相信，此項(xiàng)工作豐富了石墨烯納米片材料電化學(xué)性能調(diào)控研究領(lǐng)域，為進(jìn)一步拓展石墨烯的電化學(xué)構(gòu)效關(guān)系研究打下了基礎(chǔ)，并豐富了其在電化學(xué)傳感方面的內(nèi)涵。

Small Methods：面向能源領(lǐng)域的石墨烯可控生長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)調(diào)控

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所于貴研究員課題組在Small Methods上發(fā)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(tǒng)分析了近年來(lái)化學(xué)氣相沉積法和氧化還原法制備的石墨烯運(yùn)用在不同能源器件中（太陽(yáng)能電池、鋰離子電池、超級(jí)電容器以及電催化水分解）的性能差異。

Nanoscale ：石墨烯探測(cè)器助力肺癌的早期診斷

來(lái)自?？巳卮髮W(xué)的一組科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一種新技術(shù)，可以創(chuàng)建一種高靈敏度的石墨烯生物傳感器，能夠檢測(cè)最常見(jiàn)的肺癌生物標(biāo)志物分子。

新的生物傳感器設(shè)計(jì)可以徹底改變現(xiàn)有的電子鼻（電子鼻）裝置，識(shí)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(xué)成分以確定原因。

英國(guó)薩里大學(xué)研發(fā)石墨烯-碳納米管新型防護(hù)方法

在知名學(xué)術(shù)期刊《Carbon》上發(fā)表的一篇論文中，來(lái)自英國(guó)薩里大學(xué)的研究人員詳細(xì)介紹了他們使用保護(hù)層覆蓋碳納米管催化劑的新方法，該保護(hù)層的加入不會(huì)影響碳元素?cái)U(kuò)散，因此可用于保護(hù)催化劑免受環(huán)境污染，同時(shí)保護(hù)碳納米管催化劑功能。該技術(shù)可允許催化劑被運(yùn)輸、儲(chǔ)存或精確計(jì)量以備將來(lái)使用。

信息來(lái)源：

烯碳資訊、中國(guó)科學(xué)報(bào)、寧波材料技術(shù)與工程研究所、過(guò)程工程研究所、重慶綠色智能技術(shù)研究院、蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、蘭州化學(xué)物理研究所、科技日?qǐng)?bào)、materials views china、生物谷、航空工業(yè)信息網(wǎng)

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