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石墨烯增強金屬基復合材料制備及性能研究

制備在宏觀尺度上具備二維單片石墨烯的獨特本征性質的石墨烯三維體相材料是材料學研究中兼具學術價值和實用意義的重大挑戰(zhàn)。本項目制備得到了一種三維石墨烯宏觀體相材料，其由大量獨立且懸空的二維石墨烯單元通過片層邊緣的化學鍵構筑而成。該材料具有良好的機械性能，在常溫可見光下作用下具有電子發(fā)射能力，在瓦特功率級別的可見波段激光或聚焦的太陽光照射下，厘米尺寸的此石墨烯材料樣品可以在真空條件下實現(xiàn)有效的直接光驅動，此現(xiàn)象為國內外所首次觀察及報道，為石墨烯帶來了一種激動人心的潛在應用價值。上述材料的制備及相關性能研究還可為石墨烯在催化，能源轉換與存儲等領域的應用提供材料支持與相關理論支撐。

具有較大可逆形變功能的彈性材料在各種工程應用中具有廣泛需求。然而，當溫度顯著降低時，材料延展性或彈性通常會受到損害。到目前為止，還沒有材料能夠實現(xiàn)在外太空等深低溫下具有高彈性。近日，南開大學陳永勝團隊報道了一種三維交聯(lián)的石墨烯材料，在4K的深低溫到1273K的高溫溫度區(qū)間材料超彈性行為幾乎不變。在4K超低溫條件下，具有與室溫相同的力學性能：幾乎完全可逆的超彈性行為（高達90％的應變），楊氏模量不變，泊松比接近零，循環(huán)穩(wěn)定性好。原位實驗和模擬結果表明，這種超彈性得益于獨特結構的協(xié)同結果：單個石墨烯片層的本征彈性和片層之間的共價連接。

-5,8,11,14-二十碳四烯酸，是屬于ω-6系列的一種人體必需的多不飽和脂肪酸(Polyunsaturated fatty acids，PUFAs)，具有廣泛的生物活性和重要的營養(yǎng)作用。ARA不僅是機體組織細胞膜的結構成分，同時, 它也是內循環(huán)系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中起重要作用的前列腺素、環(huán)前列腺素和白三烯類等二十碳衍生物的直接前體。另外，ARA也是成熟母乳成分之一，它對嬰兒的視力和智力發(fā)育是必需的。因此，英國營養(yǎng)基金會和FAO/WHO推薦在嬰兒奶粉中添加DHA和ARA。ARA及其代謝產(chǎn)物的生理功效還包括：在細胞內可發(fā)揮第二信使作用，參與造血和免疫調節(jié)，引起血管舒張，參與肝、膽多種功能的調節(jié)，引起炎癥反應及參與神經(jīng)內分泌和促進細胞分裂等。在水產(chǎn)動物營養(yǎng)方面，ARA是許多魚類幼體、對蝦幼體的必需脂肪酸，關系到幼體的生長發(fā)育和存活。餌料中添加ARA，可提高投喂動物的生長速度和存活率。藻膽蛋白是某些藻類特有的重要捕光色蛋白,早在上個世紀初,就曾報道在藍藻和紅藻中存在強烈熒光性的紅色、紫羅藍色和藍色蛋白質。科學研究表明，藻膽蛋白是一種既可以作為天然色素用于食品、化妝品、染料等工業(yè)上，也可制成熒光試劑，用于臨床醫(yī)學診斷和免疫化學及生物工程等研究領域中。另外，還可以制成食品和藥品用于醫(yī)療保健上，應用范圍廣闊，具有很高的開發(fā)、利用價值。藻膽蛋白主要存在于藍藻、紅藻、隱藻和少數(shù)一些甲藻中 ,其主要功能是作為光合作用的捕光色素復合體 ,在一些藻類中藻膽蛋白也可以作為儲藏蛋白 ,以使藻類在氮源缺乏的季節(jié)得以生存。已知的藻膽蛋白主要可以分為以下4大類：藻紅蛋白(Phycoerythrin,PE)、藻藍蛋白(Phycocyanin,PC)、藻紅藍蛋白(Phycoerythrocyanin,PEC)、別藻藍蛋白(Allophyxoxyanin,APC)。

本技術采用先進的氧化石墨烯分散技術，實現(xiàn)了氧化石墨烯在超高性能混凝土的可控分散，進而制備出超高韌性、超高耐久的水泥基材料。本技術通過從納微觀尺度上對水泥基材料水化產(chǎn)物的改性，克服了傳統(tǒng)水泥基材料本質上脆性行為的弊端，產(chǎn)品能夠在嚴苛的服役環(huán)境中長期（大于 100 年）保持優(yōu)異的服役狀態(tài)。同時，相比于現(xiàn)有的納米混凝土改性技術，本技術使用的納米外加劑-氧化石墨烯制備工藝簡單，價格優(yōu)勢明顯，改善效果更為顯著，使該產(chǎn)品具有較大的經(jīng)濟優(yōu)勢。 

制備在宏觀尺度上具備二維單片石墨烯的獨特本征性質的石墨 烯三維體相材料是材料學研究中兼具學術價值和實用意義的重大挑 戰(zhàn)。本項目制備得到了一種三維石墨烯宏觀體相材料，其由大量獨立 且懸空的二維石墨烯單元通過片層邊緣的化學鍵構筑而成。該材料具 有良好的機械性能，在常溫可見光下作用下具有電子發(fā)射能力，在瓦 特功率級別的可見波段激光或聚焦的太陽光照射下，厘米尺寸的此石 墨烯材料樣品可以在真空條件下實現(xiàn)有效的直接光驅動，此現(xiàn)象為國 內外所首次觀察及報道，為石墨烯帶來了一種激動人心的潛在應用價 值。上述材料的制備及相關性能研究還可為石墨烯在催化，能源轉換 與存儲等領域的應用提供材料支持與相關理論支撐。 項目特色： 1.制備了基于二維石墨烯單元通過片層邊緣的化學鍵構筑而成 三維石墨烯體相材料，該材料不僅保留了二維石墨烯材料的本征性質， 而且具備優(yōu)良的機械及光電性能。 2. 在國內外首次觀察到厘米級尺寸的裸眼可見的宏觀石墨烯樣 品，只依靠瓦特級別的光作為單一驅動源，即可實現(xiàn)較大距離(數(shù)十厘 米)的有效的運動，并提出了光致電子發(fā)射驅動的機理解釋上述三維 石墨烯體相材料獨特的光驅動， 3. 上述材料的制備與性能研究揭示通過有效合理的結構構筑手 段，能夠得到以二維石墨烯作為構成單元，并有效保留其獨特二維性 質和兼具三維宏觀形態(tài)的石墨烯體相材料，此項研究為其它二維材料 的開展類似工作并拓展其應用提供了范例和思路。已取得的成果： 項目的標志性研究結果于 2015 年 6 月在線發(fā)表于 Nature Photonics，并于 2015 年 7 月正式發(fā)表（Nature Photonics, 2015, 9, 471- 476）。雜志同期以“Two-dimensional materials: Lift off for graphene” 發(fā)表了專題評論。英國著名科普雜志 New Scientist 以“Spacecraft built from graphene could run on nothing but sunlight”為題報道了此研究， 指出該成果“再為石墨烯這種優(yōu)良材料增添了一種驚人的性能”。國 內主要媒體包括人民日報、光明日報、新華網(wǎng)以及多家門戶網(wǎng)站等均 對此研究進行了報道，中央電視臺《新聞聯(lián)播》欄目于 2015 年 6 月 21 日也對此進行了報道。 市場應用前景： 空間飛行器是人類探索宇宙的重要工具，而動力源問題一直羈絆 著人類無法走得更遠。目前幾乎所有的航空、航天飛行均采用化學驅 動，即通過噴射燃燒的化學物質來獲得驅動力，光直接驅動飛行是科 學界和航空界多年的夢想。

Ag 納米顆粒具有優(yōu)異的抗菌及殺菌性能，且具有廣譜性及無抗藥性。石墨烯是近年來最熱門的材料之一，可以作為載體制備納米復合材料，廣泛應用在光電，電池，生物，醫(yī)學等眾多領域。對比目前 Ag 抗菌材料的載體如沸石，二氧化硅等來說，石墨烯具有獨特的二維結構，其高的比表面積，穩(wěn)定的物理及化學性質，可以優(yōu)化 Ag 基納米顆粒的生長，控制其形貌尺寸，從而獲得性能優(yōu)異的復合材料。 其獨特的二維結構以及界面性能使其可以組裝成不同應用環(huán)境的器件，因此具有廣泛的適用范圍和廣闊的應用前景。重要的是，石墨烯還具有良好的生物相

Ag納米顆粒具有優(yōu)異的抗菌及殺菌性能，且具有廣譜性及無抗藥性。石墨烯是近年來最熱門的材料之一，可以作為載體制備納米復合材料，廣泛應用在光電，電池，生物，醫(yī)學等眾多領域。對比目前Ag抗菌材料的載體如沸石，二氧化硅等來說，石墨烯具有獨特的二維結構，其高的比表面積，穩(wěn)定的物理及化學性質，可以優(yōu)化Ag基納米顆粒的生長，控制其形貌尺寸，從而獲得性能優(yōu)異的復合材料。其獨特的二維結構以及界面性能使其可以組裝成不同應用環(huán)境的器件，因此具有廣泛的適用范圍和廣闊的應用前景。重要的是，石墨烯還具有良好的生物相容性，是抗

一、項目分類 顯著效益成果轉化 二、成果簡介 本項目開創(chuàng)性地將石墨烯用于包覆鈦酸鋰，通過獨特的加工工藝制得業(yè)內領先的石墨烯包覆鈦酸鋰材料，有效地解決了鈦酸鋰負極材料的產(chǎn)氣問題，并以此為基礎制得了高性能的鈦酸鋰超級電池。該電池單體可8C持續(xù)放電，20C脈沖放電，充放電循環(huán)大于30000次，10分鐘可充電90%以上，低溫性能優(yōu)異（可在-40度環(huán)境下放電）。 石墨烯具有高導電性和優(yōu)良的電化學穩(wěn)定性，通過石墨烯的均勻包覆改善了鈦酸鋰的電子電導性，進而提升了電池的大倍率充放電能力和高低溫性能。同時，石墨烯包覆降低了材料充放電過程中的極化，提高了材料的容量發(fā)揮，通過鈍化鈦酸鋰材料表面的活性位點，解決了其產(chǎn)氣問題。利用該負極材料做成鈦酸鋰超級電池，具有優(yōu)異的倍率充放電性能、長壽命、高安全性能和優(yōu)異的低溫充放電性能。 本項目首先開發(fā)了石墨烯包覆的鈦酸鋰材料，采用高溫固相法合成，X射線衍射圖譜證明其為標準的鈦酸鋰尖晶石結構，微觀上由100-200nm的一次顆粒組成的微米和亞微米級二次球形顆粒，D50為15±5μm，1C可逆容量大于155mAh/g。 獲得了基于石墨烯包覆鈦酸鋰負極材料的鈦酸鋰超級電池，通過串并聯(lián)成組后可以用于低溫啟動電源，軌道交通，儲能等領域，在長壽命、高安全、快充和低溫充放電領域具有廣闊的應用前景。

項目簡介：  石墨烯屬于碳納米材料家族中的一員，具  有高硬度、高