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石墨烯微結(jié)構(gòu)調(diào)控及其表界面效應(yīng)研究

“石墨烯微結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控及其應(yīng)用”首次實(shí)現(xiàn)石墨烯單晶量子點(diǎn)和單層石墨烯微結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)控制。一、項(xiàng)目分類重大科學(xué)前沿創(chuàng)新二、成果簡(jiǎn)介近年來(lái)，石墨烯領(lǐng)域未獲得突破性應(yīng)用成果，也未找到“殺手锏”應(yīng)用領(lǐng)域，關(guān)鍵是石墨烯結(jié)構(gòu)調(diào)控不到位。一個(gè)基本的共識(shí)是，對(duì)石墨烯材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)控，有助于在光電器件、能源轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)、重大疾病診療、污染物治理等領(lǐng)域取得重大突破。上海大學(xué)吳明紅院士領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)聚焦“石墨烯微結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控及其應(yīng)用”取得了開創(chuàng)性的研究成果，首次實(shí)現(xiàn)石墨烯單晶量子點(diǎn)和單層石墨烯微結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)控制，在Nature及其子刊上發(fā)表十余篇系列論文，獲得國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。負(fù)責(zé)人吳明紅是中國(guó)工程院院士、俄羅斯工程院和俄羅斯科學(xué)院外籍院士，獲國(guó)家杰出青年基金、教育部長(zhǎng)江學(xué)者及創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃等支持。團(tuán)隊(duì)依托有機(jī)復(fù)合污染控制工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，推動(dòng)基礎(chǔ)科研成果向應(yīng)用轉(zhuǎn)化，在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境治理等領(lǐng)域取得了相關(guān)應(yīng)用突破。一、主要理論突破聚焦于研究主題，團(tuán)隊(duì)在以下三個(gè)方面取得重要突破： 1）為解決傳統(tǒng)方法制備的石墨烯缺陷多，無(wú)法量產(chǎn)的問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)在分子水平上首次使用分子融合法實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)單晶石墨烯量子點(diǎn)的可控制備。通過(guò)對(duì)單晶石墨烯量子點(diǎn)精準(zhǔn)的物理化學(xué)性質(zhì)調(diào)控實(shí)現(xiàn)了不同亞細(xì)胞器的定位，有力推動(dòng)了石墨烯量子點(diǎn)在生物成像、重大疾病診療中的應(yīng)用。 2）為解決單層石墨烯容易聚集的難題，團(tuán)隊(duì)通過(guò)“原位復(fù)合與還原”一步法調(diào)控策略，獲得單層石墨烯復(fù)合催化材料。團(tuán)隊(duì)首次在該材料上觀測(cè)到光生電子空穴對(duì)分離的皮秒級(jí)超快過(guò)程，發(fā)現(xiàn)并揭示了單層石墨烯高效抽取和快速傳輸光電子這一重要規(guī)律，為高質(zhì)量單層石墨烯復(fù)合材料在催化等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 3）精確調(diào)節(jié)石墨烯層間距，可以將石墨烯有針對(duì)性地應(yīng)用于離子篩分、污染物選擇性吸附等廣泛領(lǐng)域。團(tuán)隊(duì)通過(guò)金屬水合離子的層間插入控制氧化石墨烯層間距，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了層間距在超小尺度上（1 Å）的精確控制。二、在黑臭水體治理、地表水水質(zhì)提升上的應(yīng)用地表水內(nèi)源污染治理的關(guān)鍵是削減河道污染負(fù)荷，重建水生生態(tài)。團(tuán)隊(duì)以層間距可控石墨烯為基質(zhì)，發(fā)展了水環(huán)境污染生態(tài)修復(fù)的疊層材料。以石墨烯為基體的復(fù)合微生物在其表面生長(zhǎng)并形成生物膜，通過(guò)石墨烯和生物膜的協(xié)同作用，對(duì)水體污染物進(jìn)行高效截留、吸附并降解。該復(fù)合技術(shù)運(yùn)行成本低，治理周期短，工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需底泥疏浚即可將地表水提升至IV類水以上水質(zhì)指標(biāo)，對(duì)河水的COD、氨氮和總磷，去除率達(dá)到80%以上。目前，團(tuán)隊(duì)已與上海寶山區(qū)政府建立多個(gè)石墨烯治理黑臭水體示范基地，顯著提升當(dāng)?shù)厮|(zhì)環(huán)境水平。三、石墨烯負(fù)極材料的鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用鋰資源的匱乏，不足以支撐鋰離子電池在儲(chǔ)能市場(chǎng)的廣泛應(yīng)用，其成本較高的弊端也逐漸顯露。同時(shí)國(guó)內(nèi)外化學(xué)儲(chǔ)能市場(chǎng)需求越來(lái)越大，促使研究者們利用資源豐富的鈉元素組裝得到鈉離子電池。經(jīng)過(guò)對(duì)鈉離子電池材料體系篩選和研究，本團(tuán)隊(duì)核心材料選用普魯士藍(lán)及其類似物作為鈉離子電池正極，碳基材料作為鈉離子電池負(fù)極。其中普魯士藍(lán)制備主要采用沉淀法及水熱法，能耗更低。此外，普魯士藍(lán)能夠作為一種染料進(jìn)行使用，其安全性非常高。經(jīng)過(guò)一系列放大，正極普魯士藍(lán)材料的充放電比容量達(dá)到160 mAh/g，碳負(fù)極材料的充放電比容量達(dá)到300 mAh/g。經(jīng)過(guò)中試線生產(chǎn)預(yù)制，單體電池工作電壓在3.2 V左右，能量密度在100 Wh/kg以上。單體電池在穿刺、擠壓、外部短路、及破壞后浸水測(cè)試的情況下，均沒有發(fā)生自燃和爆炸等情況，安全性高。目前，擬搭建5條鈉離子電池儲(chǔ)能全自動(dòng)生產(chǎn)線及相關(guān)配套設(shè)施，研發(fā)生產(chǎn)低成本、高安全、長(zhǎng)壽命鈉離子電池關(guān)鍵材料，實(shí)現(xiàn)高性能鈉離子電池產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化，預(yù)計(jì)至2026年項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)后，年產(chǎn)值達(dá)約22.5億元；年畝均產(chǎn)值1666萬(wàn)元。四、石墨烯傳感材料在呼吸式血糖儀中的應(yīng)用我國(guó)糖尿病人數(shù)眾多，并逐年上升。血糖檢測(cè)儀與檢測(cè)試紙市場(chǎng)規(guī)模約為460億元，然而國(guó)外品牌卻占市場(chǎng)份額大半。現(xiàn)有血糖儀采取長(zhǎng)期有創(chuàng)刺血檢測(cè)，存在很大感染風(fēng)險(xiǎn)，給病友帶來(lái)巨大的生理和心理上的痛苦。呼吸式血糖檢測(cè)無(wú)創(chuàng)，吹氣即可檢測(cè)，完美解決市場(chǎng)痛點(diǎn)。糖尿病患者呼吸的氣體中，可檢測(cè)的VOCs較異常，需要高靈敏度的氣體傳感器進(jìn)行識(shí)別。但是，常規(guī)氣敏傳感材料檢測(cè)限與響應(yīng)恢復(fù)能力不足，且難以在復(fù)雜氣體氛圍中實(shí)現(xiàn)特異性檢測(cè)。團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)石墨烯帶隙和表界面特性的精確調(diào)控，實(shí)現(xiàn)皮秒級(jí)載流子空穴的形成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體分子的快速響應(yīng)，解決氣體傳感器靈敏度、選擇性和響應(yīng)恢復(fù)迅速的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。研發(fā)的呼吸式血糖儀可滿足確診病友的日常檢查、實(shí)現(xiàn)醫(yī)院、公共場(chǎng)所快速篩查、手機(jī)APP記錄管理以及網(wǎng)上專家互動(dòng)診斷等功能，具有無(wú)創(chuàng)傷、無(wú)痛苦、便捷即時(shí)（15s）等特點(diǎn)，是首款呼吸式血糖檢測(cè)產(chǎn)品。目前已二類醫(yī)療器械證書，即將已進(jìn)入臨床階段。

上海大學(xué) 2022-08-16

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