成果精選：劉忠范院士和他的研究團隊

Alisa 4年前 (2019-01-31) 14616瀏覽

人物簡介

北京大學博雅講席教授（2016.11.21）、中國科學院院士（2011.12.10）、發展中國家科學院院士（2015.11）。1983年畢業于長春工業大學，1984年留學日本，1990年獲東京大學博士，1991－1993年東京大學和國立分子科學研究所博士后。1993年6月回北京大學任教，同年晉升教授。1993年獲首批國家教委跨世紀優秀人才基金資助，1994年獲首批基金委杰出青年科學基金資助，1999年受聘首批長江學者獎勵計劃特聘教授，2004年當選英國物理學會會士，2011年當選中國科學院院士，2013年首批入選中組部“萬人計劃”杰出人才，2014年當選英國皇家化學會會士，2015年當選發展中國家科學院院士，2016年當選中國微米納米技術學會會士，2017年中組部授牌成立萬人計劃“科學家工作室”（2017.3）。主要從事納米碳材料、二維原子晶體材料和納米化學研究，發表學術論文逾500篇，獲授權中國發明專利30項。曾任國家攀登計劃（B）、973計劃、納米重大研究計劃項目首席科學家、國家自然科學基金“表界面納米工程學”創新研究群體學術帶頭人（三期）。1992年獲日中科技交流協會“有山兼孝紀念研究獎”、1997年獲香港求是科技基金會杰出青年學者獎，2005年獲中國分析測試協會科學技術獎一等獎，2007年獲高等學校科學技術獎自然科學一等獎，2008年獲國家自然科學二等獎、楊芙清王陽元院士優秀教學科研獎，2009年入選全國優秀博士學位論文指導教師，2012年獲中國化學會-阿克蘇諾貝爾化學獎、寶鋼優秀教師特等獎，2016年獲日本化學會膠體與界面化學年會Lectureship Award和北京大學方正教師特別獎等。澳大利亞臥龍崗大學名譽教授、華東理工大學名譽教授、香港浸會大學杰出客座教授。擔任“物理化學學報”主編、“科學通報”副主編，Adv. Mater.、Small、Nano Res.、ChemNanoMat、Graphene Technology、APL Mater.、NPG Asia Mater.、Natural Science Review、J. Photochem. Photobiol. C Phtotochem. Rev.等國際期刊編委或顧問編委。現任北京石墨烯研究院院長、中關村石墨烯產業聯盟理事長及專家委員會主任委員、北京石墨烯科技創新專項（2016-2025）專家委員會主任、中關村科技園區豐臺園科協第三屆委員會主席、中國國際科技促進會副會長、教育部科技委委員及學風建設委員會副主任和國際合作學部副主任、北京大學納米科學與技術研究中心主任等職。還擔任國家自然科學基金委員會第十四屆專家評審組專家、中國化學會常務理事及納米化學專業委員會創始主任、中國微米納米技術學會常務理事。第十二屆全國人大代表，九三學社第十三屆中央委員和院士工作委員會副主任，北京市人民政府專家咨詢委員會委員，九三學社北京市主任委員。

劉忠范發展了低維碳材料的化學氣相沉積（CVD）生長方法學，建立了精確調控碳納米管、石墨烯等低維碳材料結構的系列生長方法，發明了碳基催化劑、二元合金催化劑等新型生長催化劑，提出了新的碳納米管“氣—固”生長模型。首次將有機小分子的自組裝概念拓展到準一維碳納米管領域，建立了多種化學自組裝方法，實現了碳納米管在各種固體表面的有序組裝，并開拓了碳納米管電化學和基于掃描探針顯微技術的針尖化學研究方法。

研究成果梳理：

1.J. Am. Chem. Soc.：石墨烯/藍寶石基底上無應力AlN的快速生長

J. Am. Chem. Soc. 在線刊登了北京大學劉忠范教授課題組、高鵬研究員課題組與中國科學院半導體研究所李晉閩研究員課題組、中國科學院力學研究所魏宇杰研究員課題組合作發表的題為“Fast Growth of Strain-Free AlN on Graphene-Buffered Sapphire”的工作。該工作研究了AlN在石墨烯覆蓋的藍寶石上的生長行為，以及石墨烯對于AlN應力釋放、缺陷密度降低的影響。研究表明：石墨烯緩沖層的引入可以顯著降低AlN的成核密度，減小由于疇區拼接造成的缺陷結構密度。與此同時，石墨烯的插入還可以有效地釋放AlN與藍寶石之間由于晶格失配和熱失配造成的應力。

原文鏈接：Fast Growth of Strain-Free AlN on Graphene-Buffered Sapphire，（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140 (38), pp 11935–11941, DOI: 10.1021/jacs.8b03871 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b03871）

2.Adv. Mater.:基于石墨烯緩沖層的高亮藍光LED

北京大學劉忠范院士的納米化學研究中心團隊和中科院半導體所李晉閩研究員的半導體照明中心團隊合作，提出利用石墨烯作為GaN生長緩沖層來實現高亮LED的新策略。在該工作中，研究人員利用CVD的方法，在藍寶石上直接生長石墨烯，避免了石墨烯轉移過程中的污染、破損問題，可規模化制備。在石墨烯/藍寶石上直接生長的GaN薄膜具有極低應力(0.16 GPa)與位錯密度(~10⁸×cm^?2)，得到的藍光LED與傳統工藝得到的器件相比，光輸出功率提升高達19.1%。值得強調的是，在石墨烯上生長GaN薄膜，無需低溫緩沖層，可節省MOCVD生長時間，有望進一步降低成本。該成果以題為“High-Brightness Blue Light-Emitting Diodes Enabled by a Directly Grown Graphene Buffer Layer”發表在Adv. Mater.上。

文獻鏈接：High‐Brightness Blue Light‐Emitting Diodes Enabled by a Directly Grown Graphene Buffer Layer, (Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201801608)

3.J. Am. Chem. Soc.：研究新發現-石墨烯到金屬碳化物的新型轉變

北京大學的劉忠范院士、張艷峰研究員和北京理工大學李元昌老師 (共同通訊作者)等人在J. Am. Chem. Soc.上發布了一篇關于石墨烯與金屬碳化物的文章，題為“Unique Transformation from Graphene to Carbide on Re(0001) Induced by Strong Carbon–Metal Interaction”。

作者通過掃描隧道顯微鏡（STM）及原位-高溫低能電子衍射（LEED）表征，首次發現在Re(0001)基底上生長的石墨烯，經過高溫退火會逐漸轉變為金屬碳化物。此轉變過程主要包括：高溫退火下，石墨烯的碎裂、碳原子的體相溶解；降溫過程中, 碳原子的偏析，在金屬表面形成碳化物。該轉變趨勢與VIII族過渡金屬基底上石墨烯向金屬碳化物轉變的趨勢截然相反。

文獻鏈接：Unique Transformation from Graphene to Carbide on Re(0001) Induced by Strong Carbon–Metal Interaction (J. Am. Chem. Soc., 2017 , DOI: 10.1021/jacs.7b09755）

4.Adv. Mater.：多級結構石墨烯泡沫用于高效太陽能-熱能轉換

北京大學劉忠范院士、彭海琳教授（共同通訊）等人報道了通過等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD）生長的，具有連續孔隙的多級結構石墨烯泡沫（h-G泡沫）。其結構特點在于在多孔的三維石墨烯泡沫骨架上構筑了垂直石墨烯納米片陣列結構。在光學上，這種結構即使在小角度入射角下，仍保持高效的光吸收和很小的反射，該性質有利于材料在真實自然環境下的光熱轉化應用。作為光熱轉換材料，h-G泡沫可以實現約93.4％太陽能-熱能轉換效率。此外，h-G泡沫由于具有優異的抗腐蝕性能且質量較輕，因而適用于便攜式光熱轉換應用，例如污水處理和海水淡化。其中，海水淡化應用的太陽蒸氣轉化效率超過90％，超過了大部分已有的光熱轉換材料，且具有良好的耐久性和循環使用性能。相關成果以題為“Hierarchical Graphene Foam for Efficient Omnidirectional Solar–Thermal Energy Conversion”發表在了Advanced Materials上。

文獻鏈接：Hierarchical Graphene Foam for Efficient Omnidirectional Solar–Thermal Energy Conversion（Adv. Mater.,2017,DOI:10.1002/adma.201702590）

5.ACS Nano: Direct-CVD技術制備的用于捕獲多硫化物的“豬籠草”結構氮摻雜石墨烯

北京大學劉忠范院士聯合蘇州大學孫靖宇教授、張力教授（共同通訊作者）設計了類似“豬籠草”分級結構的氮摻雜石墨烯（NHG）膜作為有希望的多硫化物捕獲劑，同時兼有對多硫化物的物理阻隔和化學吸附作用。論文的共同第一作者為課題組的李秋珵博士、博士研究生宋英澤以及清華-伯克利深圳學院的博士研究生徐潤章。合作者包括清華-伯克利深圳學院的鄒小龍研究員以及蘇州大學的Mark Rümmeli教授。NHG材料通過在生物質硅藻土模板上運用直接化學氣相沉積法（Direct-CVD）生長氮摻雜石墨烯而產生。NHG精巧的“豬籠草”結構完美地繼承了經歷CVD反應的生物模板，這種共形的石墨烯涂層在模板去除后被保留。這種生物模板CVD方法能夠批量生產和精確控制NHG的摻雜濃度，這與傳統的基于液相剝離的石墨烯材料不同。得益于高表面積，多孔結構和NHG材料的豐富氮摻雜，由此衍生的隔膜表現出良好的多硫化物捕獲性能。此外，CVD生長的NHG骨架的優異導電性有利于加速長鏈Li₂S_x催化轉化為不溶性Li₂S₂/Li₂S，提供了阻礙多硫化物穿梭的額外途徑。該工作提出了一種仿生學研究策略，用于設計迷人的屏障結構，以實現高效的多硫化物捕獲，使得電池具有良好的倍率性能和長循環性能。相關研究成果以“Bio-Templating Growth of Nepenthes-Like N-Doped Graphene as Bifunctional Polysulfide Scavenger for Li-S Batteries”為題發表在ACS Nano上。

文獻鏈接：“Bio-Templating Growth of Nepenthes-Like N-Doped Graphene?as Bifunctional Polysulfide Scavenger for Li-S Batteries”(ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b05246)

6.Nature Communications：新型的超快高敏二維紅外探測器

北京大學的彭海琳教授以及劉開輝研究員（共同通訊作者）等人合作開發了一種基于硒氧化鉍（Bi₂O₂Se）晶體的新型原型近紅外探測器。硒氧化鉍是彭海琳課題組與合作者近年來新發現的一類同時具有高電子遷移率、合適帶隙、環境穩定和可批量化制備等特點的二維半導體材料（Nature Nanotech. 2017, 12, 530; Nano Lett. 2017, 17, 3021; Adv. Mater. 2017, 29, 1704060）。該晶體化合物由氧化鉍（Bi₂O₂）和硒層交替堆疊而成，加之晶格中氧的存在，使其在空氣中可以相當穩定的存在。在這一晶體材料的基礎上開發的原型光電探測器具有從可見光到1700nm短波紅外區的超寬光譜響應，與此同時，器件在近紅外二區的靈敏度可高達65A/W左右，展現出了優異的靈敏性。此外，利用飛秒激光器組建的超快光電流動態掃描則顯示了該種探測器具有約1皮秒的超快光電流響應時間，進一步證明了硒氧化鉍二維晶體在紅外探測應用的前景。2018年8月17日，相關成果以題為“Ultrafast and highly sensitive infrared photodetectors based on two-dimensional oxyselenide crystals”在線發表在Nature Communications上。

文獻鏈接：Ultrafast and highly sensitive infrared photodetectors based on two-dimensional oxyselenide crystals（Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-05874-2）

7.Energ. Environ. Sci.：光熱效應增強超級電容器電容

北京大學的劉忠范院士和北京石墨烯研究院的魏迪研究員（共同通訊）的第一作者衣芳，共同一作任華英、戴可人作者等人發現，在光照下，由于光熱效應，超級電容器的電容、能量密度和功率密度都得到大幅提高。超級電容器采用具有全光譜高光吸收率及高熱導率的三維多級結構石墨烯作為電極，在1個太陽光照（1 kW m^-2）條件下，超級電容器在整個太陽光譜范圍光吸收率> 92.88％，光熱響應時間<200 s，表面溫度變化約39℃。在1個太陽光照下，贗電容器型超級電容器的電容增加到約1.5倍；雙電層型超級電容器的電容增加到約3.7倍。這項工作為太陽能應用提供了新的途徑，為能源存儲設備的開發提供了新的設計思路。相關成果以“Solar thermal-driven capacitance enhancement of supercapacitors”為題發表在Energy & Environmental Science上。

文獻鏈接：Solar thermal-driven capacitance enhancement of supercapacitors（Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/ C8EE01244J）。

8.Adv. Mater.:石墨烯前體促進石墨烯/ h-BN垂直異質結構快速生長及其在OLEDs中的應用

來自北京大學的劉忠范院士和張艷鋒研究員、清華-伯克利深圳學院的鄒小龍研究員（共同通訊）等人開發了一種用于Cu箔上Gr/h-BN垂直異質結構快速生長的鎳茂前體促進途徑，其顯示出大大提高的合成效率（8-10倍快）和石墨烯的結晶質量（大單晶域高達≈20μm）。其合成路線的關鍵優點是利用從鎳離子分子中分解的鎳原子作為氣態催化劑，根據密度泛函理論計算，可以降低石墨烯生長的能量勢壘，促進碳源的分解。

文獻鏈接：Nickelocene-Precursor-Facilitated Fast Growth of Graphene/h-BN Vertical Heterostructures and Its Applications in OLEDs（Adv. Mater.,2017,DOI:10.1002/adma.201701325）

9.Nano Lett.：在一氧化硅微粒上垂直生長石墨烯用作穩定的鋰離子電池負極

北京大學劉忠范院士與彭海琳教授（共同通訊）合作，提出了一種垂直石墨烯包裹的一氧化硅微粒（d-SiO@vG），它可以用作穩定的鋰離子電池負極并擁有高比容量。在一氧化硅（SiO）微粒表面通過化學氣相沉積方法垂直生長的石墨烯不僅可以顯著增強微粒的導電性能，還能為鋰離子提供大量的傳輸通道。研究發現，即使在高負載（1.5 mg/cm²）情況下，獲得的復合材料仍然有很好的穩定性（100圈，保持率93%），容量高達1600 mA h/g。本成果以“Vertical Graphene Growth on SiO Microparticles for Stable Lithium Ion Battery Anodes ” 為題于5月4號發表在期刊Nano Letter上。

文獻鏈接：Vertical Graphene Growth on SiO Microparticles for Stable Lithium Ion Battery Anodes (Nano Lett., 2017, DOI:?10.1021/acs.nanolett.7b00906)

發表的綜述成果：

1.Adv. Mater.綜述：傳統玻璃表面上的石墨烯CVD生長方法和機理

北京大學劉忠范院士（通訊作者）等人在材料領域頂刊Advanced Materials上發表了題為“Direct CVD Growth of Graphene on Traditional Glass: Methods and Mechanisms”的綜述。劉院士的團隊希望為大家提供在各種商業玻璃上CVD法直接生長石墨烯的技術綜合指南。本文從石墨烯在玻璃上生長的基本過程和挑戰開始，對于軟化點超過1000℃的耐高溫玻璃，如石英或藍寶石玻璃，可以通過碳前體在高溫下的非催化熱分解實現石墨烯的生長。對于普通玻璃，如鈉鈣玻璃，其軟化點遠低于低于石墨烯的生長溫度，則發展了熔融床CVD技術。在這種情況下，發現熔融的玻璃表面有利于碳物質的快速遷移，因此大大提高了石墨烯的生長速率。為提升“石墨烯在玻璃襯底上的生長質量，則可以引入金屬催化劑，利用金屬催化作用實現高品質石墨烯的生長。等離子體增強CVD（PECVD）技術則可以實現玻璃襯底上石墨烯的低溫生長。最后從大規模生產“超級石墨烯玻璃”的角度討論，未來實際應用中面臨的挑戰。

文獻鏈接：Direct CVD Growth of Graphene on Traditional Glass: Methods and Mechanisms（Adv. Mater.，2018，DOI：10.1002/adma.201803639）

2.Chem. Rev.綜述：化學氣相沉積制備石墨烯--理想與現實石墨烯是一種新型納米碳材料，具有獨特的二維蜂窩狀晶體結構，以及優異的電學、熱學、光學和力學等性能，因而在電子器件、光學器件、傳感器件、電化學儲能、復合材料、熱學等領域有著廣闊的應用前景。自從石墨烯被發現以來，其制備技術也同時引起學術界的廣泛關注。化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition, CVD）法是目前大面積制備高品質石墨烯薄膜的有效方法，然而，CVD生長的石墨烯薄膜在制備的過程中會產生缺陷、晶界和褶皺，轉移的過程中也會造成表面污染與破損，因此限制了進一步應用。近日，北京大學劉忠范院士和彭海琳教授在Chemical Reviews期刊上發表了綜述文章“Bridging the Gap between Reality and Ideal in Chemical Vapor Deposition Growth of Graphene”。本文的第一作者是林立博士。這也是權威綜述期刊Chemical Reviews首次刊登CVD石墨烯的綜述文章。本綜述主要介紹了碳材料的成鍵和制備歷史，CVD法制備石墨烯的熱力學過程與生長動力學機制，討論了生長條件對石墨烯疇區尺寸、形貌、缺陷、生長速度、層數和質量的影響，并對高質量石墨烯材料的制備方法進行總結，展望了未來制備高質量石墨烯薄膜的研究。

文獻鏈接：Bridging the Gap between Reality and Ideal in Chemical Vapor Deposition Growth of Graphene. （Chem. Rev. 118, 18, 9281-9343. DOI: 10.1021/acs.chemrev.8b0032）

3.Adv. Mater.綜述：走向CVD石墨烯薄膜的規模制備

Adv. Mater. 在線刊登了北京大學彭海琳教授與劉忠范院士發表的題為“Toward Mass Production of CVD Graphene Films”的綜述文章，集中闡述了基于CVD方法的石墨烯薄膜大規模生產的研究現狀與未來發展方向。論文第一作者為北京大學博士研究生鄧兵，通訊作者為彭海琳教授和劉忠范院士。首先簡要介紹了CVD方法制備石墨烯的基本原理，然后詳細分析了控制石墨烯質量的工程原理，包括制程、設備以及關鍵參數等，最后還討論了石墨烯薄膜的大面積均一性和快速表征方法。此外，該綜述中還指出了石墨烯規模化生產所面臨的挑戰。

文獻鏈接：Toward Mass Production of CVD Graphene Films?(Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201800996)

4.Chem. Soc. Rev.綜述：2D MXenes在能量轉換和存儲系統中的應用

北京大學劉忠范院士、德國萊布尼茨固體材料研究所Mark H. Rummeli教授、濟南大學劉宏教授團隊（共同通訊作者）帶領下，與山東大學、蘇州大學和波蘭科學院合作，全面總結了MXenes研究的最新進展。首先回顧MXenes的結構類型、形貌及其合成路線。然后，綜述了MXenes的力學、電子、光學和電化學性質。然后焦點轉向它們在能量儲存和轉換方面令人興奮的潛力。儲能應用包括可充電鋰離子電池、鋰硫電池和超級電容器中的電極。在能量轉換方面，介紹了光催化燃料的生產，如裂解水產氫和二氧化碳還原。此外，還討論了MXenes在光催化降解水中有機污染物（如染料廢水）方面的潛力，以及它們作為合成氨（以氮氣為原材料）催化劑的前景。最后總結了它們的應用潛力，為正在升起的新星MXenes材料提供了一個展望未來的機會和可能性。相關成果以題為“Applications of 2D MXenes in energy conversion and storage systems”發表在了Chem. Soc. Rev. 上。