三维石墨烯管

p style=" text-indent: 2em " 科学技术的发展，为解决黑臭水体污染治理的世界性难题提供了新选择。我国科学家研发出一种新材料，将其平铺在黑臭水体表面，太阳光照射两周内，可明显改善水质。今年初，相关成果获得国家自然科学奖二等奖，拥有发明专利50多项，已在上海、安徽、江苏等地成功示范，正成为整治黑臭水体和污染防治的利器。 /p p style=" text-indent: 2em " 这一科研成果，由中科院上海硅酸盐研究所首席研究员、北京大学化学与分子工程学院教授黄富强带领两家科研机构，历经7年攻关获得。其成功研发的新材料，由三维石墨烯管和黑色二氧化钛两种特殊材料混合而成，治污原理是“物理吸附+光化学催化降解”。 /p p style=" text-indent: 2em " 有害有机物是黑臭水体的“元凶”，治理黑臭水体关键是消除这些有机物。自然环境条件下，借助生态的自修复功能，水体中的有害有机物可以自行降解，但污染严重的黑臭水体自修复能力很弱，生态净化周期会比较长。新材料可帮助黑臭水体加快有毒有机物的降解速度，缩短水体净化时间，并重新开启生态环境的自修复净化能力。 /p p style=" text-indent: 2em " 黄富强介绍：“三维石墨烯管负责快速、更多地牢牢‘抓住’各类有害有机物；黑色二氧化钛作为光催化剂，可对高达95%的全太阳光谱进行高效、充分吸收，进而快速地将捕获上来的有毒有机物降解为二氧化碳和水。” /p p style=" text-indent: 2em " 普通的石墨烯是二维的，形似平铺的纸张，而该团队研制的三维石墨烯管犹如立体的“蜂巢”，比表面积和中空体积增大，对有毒有机物的“抓取量”大大增加。 /p p style=" text-indent: 2em " 二氧化钛由于只能吸收仅占总太阳能5%的紫外光，不能吸收可见光和近红外光，降解有机物的效率较低。为改善二氧化钛吸光效率、进而提升有害有机物的降解速度，黄富强团队采用特殊工艺，制备出的黑色二氧化钛实现了高达95%的全太阳光谱吸收。 /p p style=" text-indent: 2em " 中科院院士张洪杰认为，黑色二氧化钛是该成果“核心中的核心”。几年前，美国密苏里大学陈小波教授研发出黑色二氧化钛，将对太阳光的吸收效率从5%提升到30%，引起学术界关注。 /p p style=" text-indent: 2em " 除治理黑臭水体，黄富强团队研究的新材料在处理印染废水、制革废水等工业污水方面也有突出成效。例如，添加1克新材料可吸附1.476克铅离子，简单酸化处理后，重金属离子可回收并被加工成各类高附加值材料。 /p p style=" text-indent: 2em " 在示范应用期间，团队在上海、安徽、江苏等地共铺设新材料光降解网3000多张，覆盖水域总面积近4万平方米。 /p p style=" text-indent: 2em " 在上海天山公园和中山公园，团队将涂覆有新材料的光降解吸附网铺在湖面后，不动水底淤泥，吸附网就能将有机物分解为二氧化碳和水，进而提高水体含氧量，增强水体自净化和生态修复能力。 /p p style=" text-indent: 2em " 上海轻工业环境保护技术研究所检测中心和江苏省环境科学研究院环境工程重点实验室的检测结果显示，治理仅7天后，化学需氧量、氨氮、总磷等代表性指标均从劣五类水改善至五类水以上。 /p p style=" text-indent: 2em " 在安徽省肥东县，团队对定光河污染较严重的中上游河段进行了治理。肥东县环保局水环境管理科主任薛铁成说，定光河是典型的复合污染河道，此次治理后，污水各项指标的去除率达60%以上。 /p p style=" text-indent: 2em " 新材料还具备成本比较优势。黄富强介绍，将新材料与市面主流材料进行实验室对比测试，针对印染废水、制革废水、造纸废水等典型的难降解高浓度有机废水，市面材料20分钟可降解完成，而新材料只需2-3分钟，降解速度大幅提高，但制备成本与市面材料相当。 /p p style=" text-indent: 2em " 陈小波表示：“该团队研发的独特制备方法具有很多技术优势，让大规模低成本生产黑色二氧化钛成为可能，这是一项突破性成果，将有力促进该材料的实际应用和商业化。” /p p style=" text-indent: 2em " 记者了解，目前，这一成果的两大关键材料已走出实验室，实现快速、无污染、低缺陷规模化制备，由团队自主设计、搭建的低成本技术生产线已具备50吨年产能。 /p p br/ /p

p & nbsp & nbsp 在传统泡沫材料中，电学性能通常不是最关键的性能。但是，三维石墨烯泡沫材料则截然不同，电学性能对于该材料在功能器件方面的应用尤为重要。事实上，合成三维石墨烯泡沫材料的一个重要目的就是为了继承单层石墨烯卓越的电学性能。尽管实验上一直尝试研究甚至改进石墨烯泡沫材料的电学性能，但理论研究的缺乏制约了该方向的进一步发展。这一尴尬局面主要源于石墨烯泡沫材料的复杂性，如石墨烯薄片的多重自由度（层数、尺寸）以及该问题的多尺度特性（涉及到电子德布罗意波长、石墨烯薄片尺度、石墨烯薄片相互接触的特征尺度）。 /p p & nbsp & nbsp 近期，中国科学院力学研究所副研究员刘峰与王超合作提出了一种理论框架，系统研究了三维石墨烯泡沫的导电性能，并在该体系中发现了电导率极大现象。在该理论框架中，导电过程被分为两个等级。第一级，即最底层，利用介观输运理论结合紧束缚模型研究石墨烯薄片间的电导。第二级，通过分子动力学模拟研究三维石墨烯泡沫材料的网状结构，并提取平均接触面积、平均接触点密度等几何特征。结合这两方面信息即可理论计算石墨烯泡沫材料的电导及电导率。该研究发现石墨烯泡沫材料存在电导率极大现象（即随石墨烯薄片层数的增加，电导率先增大后减小），并进一步揭示了该现象的物理机制。 /p p & nbsp & nbsp 众所周知，在传统泡沫材料中，存在一个优化泡沫密度使热绝缘能力达到最强，这源于固体中热传导与热辐射之间的竞争。而该研究首次在理论上提出存在一个优化层数使三维石墨烯泡沫材料电导率达到最大，并对其物理机制进行了系统研究。该工作为优化三维石墨烯泡沫材料的导电性能提供了理论基础，并将促进该材料在功能器件方面的应用。 /p p & nbsp & nbsp 进一步，该研究还分析了变形下三维石墨烯泡沫材料的导电性能。在循环加载下，电阻的变化逐渐趋于稳定，同时伴随有滞回环的出现，这与实验观测定性一致。由于大变形是泡沫材料的一个重要特性，研究大变形下石墨烯泡沫材料的导电性能对于应变传感、应变调控等方面的实际应用具有重要的指导意义。 /p p & nbsp & nbsp 相关结果发表在Small上（F. Liu, C. Wang, Q. Tang,& nbsp Conductivity Maximum in 3D Graphene Foams,Small2018, 1801458）。该工作获得国家自然科学基金、中科院B类先导项目的支持。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/5addedc1-a85f-428b-8e87-abb19fb9b6da.jpg" title=" 9.jpg" / /p p /p p 图1.理论框架。(a)第一级：研究石墨烯薄片间的电导。（b）第二级:提取平均接触面积、平均接触点密度等几何特征。(c) 理论计算结果表明存在电导率极大现象。 /p p /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/b3859686-a4f8-4a85-bfb6-528a3612ed53.jpg" title=" 29.jpg" / /p p 图2. 外载作用下，三维石墨烯泡沫材料的电阻变化规律。（a）不同应变下，三维石墨烯泡沫材料的结构演化。（b）电阻随应变的变化。（c）循环加载下电阻的变化。（d）第七次循环加载下电阻随应变的变化。 /p p br/ /p

近日，山西大学激光光谱研究所陈旭远教授和王梅教授等人在《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表文章《Vertical Graphene Canal Mesh for Strain Sensing with a Supereminent Resolution》，报导了一种基于三维竖直石墨烯(Vertical Graphene, VG)的超低检测限应变传感器。 　　微应变传感器的发展为微型机器人、智能人机交互、健康监测和医疗康复等众多领域提供了广阔的前景。高分辨率的柔性应变传感器可广泛应用于多种柔性可穿戴电子设备中，有助于提升设备探测灵敏度并保证亲肤性。目前，已有诸多活性材料在柔性传感器中展示了良好的应用效果，如碳纳米管、银纳米线、MXene等。但是具有极高分辨率的柔性应变传感器仍然是应变传感器研究中的一项挑战。 　　作者通过设计三维石墨烯微观和宏观结构制作了网状结构的应变传感器(VGCM)，使其在0-4%的总应变范围内实现了低至0.1‰的应变精确响应，获得了极高的分辨率。同时通过实验验证及理论模拟揭示了VG在应变过程中微裂纹的演化规律和电阻变化机理。 图1 基于VGCM的应变传感器制备过程及VGCM的SEM图像 　　此工作以铜网为模板，利用等离子化学增强气相沉积法在铜网上生长了VG。利用化学刻蚀去除铜网后获得中空网状VGCM结构。这种网状结构使得拉伸应力集中，增强了应变过程中的电阻变化，实现了对低至0.1‰的微小应变的高分辨响应。 图2 拉伸过程中的应力分布示意图 　　有限元模拟展示了VGCM在拉伸过程中的应力分布。结果显示VGCM的中空管道结构使得应力集中分布在管状VGCM的顶端和底部。同时，三维石墨烯竖直结构也会导致应力在竖直结构之间形成集中。 图3 VGCM传感器传感原理图；VGCM应变中的SEM图像；VG和2D石墨烯应力分布模拟图 　　进一步通过实验验证了在拉伸情况下，应力集中产生裂纹且主要分布在中空管道顶端和底部。裂纹的产生加速了电阻的增加，从而提高了VGCM的灵敏度和分辨率，与模拟结果完全吻合。VGCM传感器利用了三维石墨烯的微观结构和网状的宏观结构的协同作用，使得应力集中，增大了电阻在拉伸过程中的变化，赋予了VGCM传感器卓越的分辨率和良好的应用前景。