石墨烯專欄
石墨烯是一種由碳原子組成的單層平面晶體結構，具有出色的物理和化學性質，是材料科學中備受關注的研究領域之一。1947年，Wallace首次描述了單層石墨的概念，但由于當時缺乏實驗方法，這一想法并沒有得到證實。1962年，化學家Hanns-Peter Boehm在石墨表面上觀察到了單層碳原子的存在，這為石墨烯的研究提供了一定的證據。2004年，安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫等科學家在一篇文章中首次成功制備出石墨烯，并證明了石墨烯的單層結構和獨特的物理和化學性質。這一發現引起了廣泛的關注，為石墨烯研究開辟了新的方向。
2010年，諾貝爾物理學獎授予了安德烈·蓋姆、康斯坦丁·諾沃肖洛夫和菲利普·華倫伯格，以表彰他們對石墨烯的研究。
隨著石墨烯研究的不斷深入，科學家們開始探索石墨烯在電子學、催化、傳感、生物醫學和納米材料等領域的應用。石墨烯的獨特性質和廣泛應用前景，使得它成為材料科學和納米科技領域的熱門研究方向。
1.?Nature Materials：新材料讓量子計算機量產更進一步
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最近，賓夕法尼亞州立大學的Zhu?Jun領銜的國際聯合團隊實現了(Bi,Sb)2Te3/石墨烯/鎵（BST/Gr/Ga）異質結構的生長。在兩個異質結面實現了原子級別的尖銳層，促進了源于鎵膜的超導近鄰效應。同時，開發出一種無光刻的范德華隧道結，并且在一個5-10層BST/Gr/Ga結構的狄拉克表面態形成了穩定的、近鄰效應誘導的超導間隙。單個Abrikosov渦旋的存在表明了離散的電導變化。第一作者為Li?Cequn，通訊作者為Zhu?Jun教授。相關文章以“Proximity-induced superconductivity in epitaxial topological insulator/graphene/gallium heterostructures“為題發表在Nature Materials上，賓夕法尼亞州立大學的官網也報道了這一重要進展，該成果為實現量子計算機的規模化應用找到了一種可實現晶圓級量產的材料體系。
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2.?這篇AM有點東西，摻雜石墨烯量子點實現高效電催化制備H2O2！
近日，南京林業大學蔣劍春院士、范孟孟副教授聯合上海大學王亮教授，美國辛辛那提大學鄔靜杰教授設計了各種摻雜和功能化的石墨烯量子點（GQDs）來揭示ORR生成H2O2的碳材料的關鍵活性位點。DFT的計算預測，邊緣N、B摻雜劑對和進一步的-OH功能化B（N-B-OH）的邊緣結構是一個通過2e-途徑的ORR活性中心。為了驗證上述猜想，研究人員通過-NH2邊緣功能化GQDs與H3BO3的水熱反應設計并合成了具有N-B-OH富集密度的GQDs（NBO-GQDs），形成了含有N-B-OH結構的六元雜環。當NBO-GQDs分散在導電碳基底上時，NBO-GQDs在旋轉環盤電極裝置中的堿性溶液中在0.7V-0.8V下顯示出超過90%的H2O2選擇性。經過12 h的穩定性試驗，選擇性仍保持初始值的90%。在流動池裝置中，H2O2的生產速率高達709 mmol gcatalyst-1?h-1，優于大多數報道的碳基和金屬基電催化劑。這項工作為可持續生產H2O2的高效碳基催化劑的設計提供思路。相關研究成果以“N-B-OH site-activated graphene quantum dots for boosting electrochemical hydrogen peroxide production”為題發表在國際知名期刊Adv. Mater.上，范孟孟副教授為本文的并列第一作者兼通訊作者。
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3.?南開大學陳永勝Adv. Mater.：原位制備高性能石墨烯/雙極性聚合物雜化電極
南開大學陳永勝教授團隊設計了一種新的兩極型聚合物Fc-DAB，并與三維石墨烯（3DG）原位聚合，制備了一種混合材料（Fc-DAB@3DG）。Fc-DAB具有穩定的聚合物骨架和多個氧化還原活性位點，可以同時提高穩定性和容量。嵌入的高導電性3DG網絡賦予Fc-DAB@3DG由于具有穩定的導電骨架、大的表面積和多孔形態，因此可以實現快速的離子/電子擴散，從而提高活性位點的利用率和電化學性能。因此Fc-DAB@3DG正極在25 mA g-1下提供約260 mA h g-1的容量，在2000 mA g-1條件下超過15000次循環的超長循環壽命，每次循環的保持率為99.999%，具有顯著的倍率性能。使用這種材料制造的準固態鋰金屬電池和全電池也表現出優異的電化學性能。相關研究成果以“An in-situ Fabricated Graphene/bi-polar Polymer Hybrid Material Delivers Ultra-long Cycle Life over 15,000 cycles as a High-performance Electrode Material”為題發表在國際知名期刊Adv. Mater.上，論文的第一作者為南開大學博士研究生趙陽。
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4.?蘭州大學張強強教授最新Adv Mater：具有可調負熱膨脹的輕質3D石墨烯超材料
在這項研究中，蘭州大學張強強教授課題組通過化學交聯有序組裝2D石墨烯基元，并在正交雙梯度溫度場調控下，采用雙曲取向冷凍的策略制備了一種具有可調負熱膨脹性能的3D石墨烯超材料(GM)。作為3D GM的基本構建單元，石墨烯片表現出異常的熱致收縮變形效應(NTE)，其熱膨脹系數為(-6.12±0.28)×10-6。經數值模擬和實驗研究相互印證，表明NTE效應可以成功從二維石墨烯基元拓展至三維石墨烯結構。此外，由于NTE效應具有對微結構主應力/應變的可控釋放能力，可通過多尺度結構設計和優化實現3D GM所具有NTE性能的編碼調控。同時，3D GM在熱-力耦合條件下表現出了高熱穩定性，同時保持了理想的結構魯棒性和抗疲勞性，使該超材料在保護表皮、熱致動器、智能開關和填料等方面具有廣闊的應用前景。相關論文以題為：“Lightweight 3D Graphene Metamaterials with Tunable Negative Thermal Expansion”發表在ADVANCED MATERIALS上。
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5.?程春&牛樹章AEnM：有機低共熔混合物結合氧化石墨烯片作為親鋰人工保護層助力無枝晶鋰金屬電池
近日，南方科技大學程春和深圳技術大學牛樹章等人通過將氧化石墨烯片與1，4-苯醌和雙(三氟甲烷)磺酰胺鋰鹽的液態有機低共熔混合物結合來制備GO-BQ@LiTFSI (GBL)中間層。由于這些功能材料的特殊優點，這種結合賦予GBL中間層豐富的親鋰活性位點、良好的離子導電性、優異的熱穩定性和與電解質的相容性。因此，GBL有效地促進了低過電位下鋰的均勻成核，并調節了鋰離子通量，導致了平面鋰金屬的形成。在Li||Li對稱電池中使用GBL中間層后，在3mA cm-2的電流密度和3 mAh cm-2的容量下實現了600 h的高電化學穩定性。值得注意的是，這種改進使陰極質量負載約為6mg cm-2的Li||LiFePO4全電池在1C下循環1600次，高容量保持率為95.23%。
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6.?中國地質大學余家國&張留洋AM：石墨烯造孔結合原位生長Co3Se4用于高性能鈉離子電池
近日，中國地質大學余家國教授和張留洋教授課題組通過結合熱刻蝕法和原位轉化策略合成了由含孔石墨烯（holey graphene, HG）和在其孔洞附近均勻分布的Co3Se4納米顆粒組成的納米雜化物。HG中的孔洞為電解質離子開啟了縱向擴散通道，縮短了其在電極材料中的擴散距離。Co3Se4/HG材料兼具出色的倍率性能和循環性能，在5.0 A g-1下容量達到519.5 mAh g-1，在2.0 A g-1下循環1000次后仍能保持464.3 mAh g-1。該研究成果以“Pore Perforation of Graphene Coupled with In Situ Growth of Co3Se4?for High-Performance Na-Ion Battery”為題發表在知名期刊Advanced Materials上。
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7.?北清聯手Nat Methods：超平整石墨烯制備均勻的薄冰用于高分辨率冷凍電鏡結構分析
北京大學彭海琳、韋小丁，清華大學王宏偉及劉楠等聯合發現樣品支持膜的平整度對薄冰層的均勻性有影響，并提出了一種使用超平石墨烯（UFG）作為cryo-EM樣品制備支撐膜的方法，以實現更好的玻璃態冰厚度的控制。他們使用UFG制備的均勻薄冰提高了冷凍樣品的成像質量，成功地測定了三個分子量較小的生物樣品，血紅蛋白、α胎蛋白和鏈霉親和素的三維結構，分辨率分別達到3.5 ?，2.6 ?和2.2 ?。相關成果以“Uniform thin ice on ultraflat graphene for high-resolution cryo-EM”發表在Nature Methods上。
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8.?Nature Materials：納米金剛石非相干嵌入無序多層石墨烯組成的超導原位復合材料
近日，清華大學李曉雁教授，燕山大學田永君院士，趙智勝教授，丹麥奧爾堡大學的岳遠征教授聯合報道了一種原位復合材料。在一個狹窄的溫度-壓力范圍內通過精準控制將非晶碳轉化為金剛石的程度，合成了一種由均勻分散在無序多層石墨烯中的超細納米金剛石組成的原位復合材料。這種復合材料具有非相干界面，其努氏硬度高達53GPa，抗壓強度高達54GPa和室溫下高達670-1240Sm-1的電導率。通過原子解析界面結構和分子動力學模擬，發現非晶碳通過碳原子的局部重排和擴散驅動生長的成核過程轉變為金剛石，這與石墨轉變為金剛石不同。類金剛石和類石墨之間的復合極大地提高了復合材料的機械性能，這種新型的超硬、超強導電元素碳復合材料的綜合性能優于已知導電陶瓷和C/C復合材料。相關研究成果以“Ultrastrong conductive in situ composite?composed of nanodiamond incoherently embedded in disordered multilayer graphene”為題發表在Nature Materials上。
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9.?馮新亮Nat. Mater.：從分子石墨烯納米帶溶液中制備出高潔凈度的單電子晶體管
近日，德國馬克斯普朗克微結構物理研究所馮新亮團隊和英國牛津大學的Lapo Bogani團隊合作開展的研究取得了新的進展。研究人員通過邊緣功能化的方法，成功增強了石墨烯納米帶的溶解度，并制備出了具有高潔凈度和尖銳單電子特征的傳輸器件。值得一提的是，強電子-振子耦合現象也導致了顯著的Franck–Condon封鎖效應，邊緣的原子定義可以實現對相關橫向彎曲模式的識別。這些研究結果展示了分子石墨烯如何直接從溶液中產生異常干凈的電子器件，并且電子特征的尖銳性為在原子精確的石墨烯納米結構中利用自旋和振動性質提供了新的道路。
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