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“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(kāi)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(méi)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。

對(duì)于HEMT功率器件來(lái)說(shuō)，p-GaN柵極HEMT器件結(jié)構(gòu)是目前被認(rèn)為最有希望作為商業(yè)化應(yīng)用的方案。不過(guò)，仍然有一些問(wèn)題亟待解決，如增加閾值電壓、降低柵極漏電流、提高柵極擊穿電壓等。于洪宇課題組2017級(jí)南科大-英屬哥倫比亞大學(xué)聯(lián)培博士生周廣楠介紹，閘極漏電與閘極工作電壓對(duì)應(yīng)用于電源開(kāi)關(guān)的氮化鎵HEMT器件尤為重要，能夠影響電源系統(tǒng)功率損耗與輸出功率。解決此項(xiàng)問(wèn)題對(duì)于p-GaN柵極HEMT器件的商業(yè)化應(yīng)用有重要的意義。

基于石墨烯的 MEMS 壓力傳感器，屬于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的壓力檢測(cè)器件，解決現(xiàn)有 MEMS 壓力傳感器尺寸較大，靈敏度有限的問(wèn)題。本實(shí)用新型包括基底、絕緣層，所述基底表面氧化形成絕緣層，絕緣層內(nèi)刻蝕出空腔，絕緣層上表面覆蓋石墨烯薄膜，將所述空腔封閉，石墨烯薄膜為 1~5 層；所述石墨烯薄膜邊緣沉積兩個(gè)金屬電極，兩個(gè)金屬電極上分別焊接有導(dǎo)線。本實(shí)用新型采用石墨烯薄膜構(gòu)成 MEMS 壓阻式壓力傳感器，制備方法簡(jiǎn)單，可靠性好，壓力傳感器體積更小，從微米尺度變?yōu)榧{米尺度，靈敏度更高，在 1~5 層內(nèi)增

本實(shí)用新型公開(kāi)了一種石墨烯微型流量傳感器，屬于 MEMS 器件，用于氣流流量測(cè)量，解決現(xiàn)有流量傳感器功耗大、襯底存在熱傳導(dǎo)、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。本實(shí)用新型之石墨烯微型流量傳感器，襯底上具有凹槽，凹槽上架有隔熱層，隔熱層上濺射有加熱體，加熱體的兩端濺射有電極。本實(shí)用新型的另一種微型流量傳感器，襯底上具有凹槽，凹槽上架有隔熱層，隔熱層上覆蓋有絕緣層，絕緣層上濺射有加熱體，加熱體的兩端濺射有金屬電極。本實(shí)用新型體積小、重量輕而且性能穩(wěn)定，能有效降低襯底傳熱導(dǎo)致的測(cè)量誤差，通過(guò)測(cè)量通入氣體前后加熱體的電阻差值

本發(fā)明公開(kāi)了一種石墨烯光陰極及其制備方法；該石墨烯光陰極由光陰極底座、襯底層、碘化銫薄膜、金膜組成；該石墨烯光陰極的制備方法具體包括如下步驟：S1：采用化學(xué)氣相沉積法在一定厚度的鎳片上生長(zhǎng)石墨烯；S2：利用腐蝕液溶解制備石墨烯后的鎳片，留下石墨烯；S3：將石墨烯平鋪至光陰極底座；S4：利用真空蒸鍍法向第 3 步得到的光陰極底座蒸鍍一層碘化銫薄膜；S5：利用磁控濺射法向第 4 步得到的光陰極底座濺射一層金膜制得石墨烯光陰極。由于石墨烯具有優(yōu)越的導(dǎo)電性、超高的透光率、良好的光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)以及較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度

本發(fā)明公開(kāi)了一種石墨烯圖形化摻雜方法，包括如下步驟：（1） 將氦氣與摻雜氣體混合作為工作氣體導(dǎo)入等離子體發(fā)生裝置中，施加 高壓脈沖電壓，在工作氣體中放電產(chǎn)生室溫常壓等離子體，將形成的 等離子體由引導(dǎo)管的噴嘴導(dǎo)出，形成微等離子體射流；（2）將噴嘴對(duì) 準(zhǔn)石墨烯薄膜的指定位置，用微等離子體射流對(duì)石墨烯薄膜進(jìn)行輻照， 將工作氣體的活性原子摻入到被輻照的區(qū)域，在二維平面內(nèi)移動(dòng)微等 離子體射流或石墨烯薄膜，實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯的圖形化摻雜。該方法可有 效地將雜質(zhì)原子摻入到石墨烯的骨架位置上，且不會(huì)對(duì)石墨烯的原本 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，摻雜過(guò)程簡(jiǎn)單易行，設(shè)備成本低廉，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生 產(chǎn)。

市場(chǎng)背景1：根據(jù)中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，基于石油、化工、電力、冶金、船舶、機(jī)械、食品、制藥等行業(yè)對(duì)換熱器穩(wěn)定的需求增長(zhǎng)，我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)在未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)將保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。預(yù)計(jì) 2010 年至 2020 年期間，我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)將保持年均 10-15%左右的增長(zhǎng)速度，2015 年，我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)規(guī)模已突破 880 億元，到 2020 年我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望達(dá)到1500億元。 市場(chǎng)背景2：2016年國(guó)務(wù)院印發(fā)《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，“突破石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù)”被寫入規(guī)劃。2017年1月《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》正式公布，石墨烯成為新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)。據(jù)前瞻研究院數(shù)據(jù)顯示，2017年我國(guó)防腐涂料（常規(guī)防腐涂料和重防腐涂料）全年產(chǎn)量達(dá)到561萬(wàn)噸，占涂料總產(chǎn)量的27%左右。2013年以來(lái)，涂料產(chǎn)量年均增長(zhǎng)率在5.5%左右，而我國(guó)防腐涂料達(dá)到12%左右，是增長(zhǎng)最快的涂料品種之一；2018年防腐涂料總產(chǎn)量或達(dá)到600萬(wàn)噸以上，2020年總產(chǎn)量可突破700萬(wàn)噸。

項(xiàng)目成果/簡(jiǎn)介:市場(chǎng)背景1：根據(jù)中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，基于石油、化工、電力、冶金、船舶、機(jī)械、食品、制藥等行業(yè)對(duì)換熱器穩(wěn)定的需求增長(zhǎng)，我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)在未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)將保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。預(yù)計(jì) 2010 年至 2020 年期間，我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)將保持年均 10-15%左右的增長(zhǎng)速度，2015 年，我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)規(guī)模已突破 880 億元，到 2020 年我國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望達(dá)到1500億元。 市場(chǎng)背景2：2016年國(guó)務(wù)院印發(fā)《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，“突破石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù)”被寫入規(guī)劃。2017年1月《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》正式公布，石墨烯成為新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)。據(jù)前瞻研究院數(shù)據(jù)顯示，2017年我國(guó)防腐涂料（常規(guī)防腐涂料和重防腐涂料）全年產(chǎn)量達(dá)到561萬(wàn)噸，占涂料總產(chǎn)量的27%左右。2013年以來(lái)，涂料產(chǎn)量年均增長(zhǎng)率在5.5%左右，而我國(guó)防腐涂料達(dá)到12%左右，是增長(zhǎng)最快的涂料品種之一；2018年防腐涂料總產(chǎn)量或達(dá)到600萬(wàn)噸以上，2020年總產(chǎn)量可突破700萬(wàn)噸。應(yīng)用范圍:目前國(guó)內(nèi)外水蒸氣空氣預(yù)熱器基本都是翅片管式，節(jié)能效果有待提高； 目前國(guó)內(nèi)外成熟的蒸發(fā)式冷凝器基本都是管狀或橢圓狀，緊湊度不高，單位面積熱負(fù)荷有待提高，特別針對(duì)化工產(chǎn)品如甲醇汽冷凝，要求系統(tǒng)壓降低和尾氣回收等指標(biāo)，難以達(dá)到； 目前國(guó)內(nèi)外煙氣空氣預(yù)熱器基本采用管式，或回轉(zhuǎn)式，管式占地面積達(dá)，換熱系數(shù)不高，回轉(zhuǎn)式漏風(fēng)嚴(yán)重并且維修成本較高； 目前國(guó)內(nèi)外解決金屬表面腐蝕問(wèn)題，基本采用搪瓷涂層，但搪瓷涂層導(dǎo)熱系數(shù)低，不到1 W/（m·k）左右，而且搪瓷由于應(yīng)力及金屬與搪瓷線膨脹系數(shù)不一致，易導(dǎo)致崩瓷現(xiàn)象。項(xiàng)目階段:批量生產(chǎn)效益分析:1）新型板式水蒸氣空氣預(yù)熱器。與翅片管相比，節(jié)約水蒸汽15-30%，該項(xiàng)目目前屬產(chǎn)業(yè)化階段； 2）新型中間排液板式蒸發(fā)式冷凝器。與普通蒸發(fā)式冷凝器相比，節(jié)電節(jié)水30%，系統(tǒng)壓降降低約0.1MPa，該項(xiàng)目目前屬產(chǎn)業(yè)化階段； 3）新型板式空氣預(yù)熱器。燃煤、燃?xì)饧叭加湾仩t空預(yù)器，節(jié)能減排效果明顯，該項(xiàng)目目前屬產(chǎn)業(yè)化階段； 4）耐腐蝕耐磨超導(dǎo)熱疏水性石墨烯復(fù)合涂層。解決各領(lǐng)域換熱設(shè)備表面的腐蝕問(wèn)題，導(dǎo)熱問(wèn)題及結(jié)垢問(wèn)題，節(jié)能減排效果明顯。該項(xiàng)目目前屬產(chǎn)業(yè)化階段。

本發(fā)明公開(kāi)了一種離子增強(qiáng)石墨烯纖維及其制備方法，石墨經(jīng)過(guò)氧化得到氧化石墨烯，將氧化石墨烯分散于水或極性有機(jī)溶劑中，制成質(zhì)量濃度為1-20%的紡絲液溶膠，將紡絲液從紡絲頭毛細(xì)管中連續(xù)勻速擠出，進(jìn)入含有配位離子的凝固液，凝固后的初級(jí)纖維用聚四氟乙烯滾軸收集，干燥后得到離子增強(qiáng)的氧化石墨烯纖維，經(jīng)化學(xué)還原，得到離子增強(qiáng)的石墨烯纖維。紡絲工藝簡(jiǎn)單，室溫操作，不用強(qiáng)腐蝕性試劑，過(guò)程綠色環(huán)保，所得離子增強(qiáng)石墨烯纖維力學(xué)性能優(yōu)異，有較好的韌性，可編織成石墨烯纖維布，也可與其它纖維混編成各種具有廣泛用途的織物。

信息技術(shù)快速發(fā)展使得芯片功耗顯著增大，熱量管理因而成為其中至關(guān)重要的核心環(huán)節(jié)。熱量的快速導(dǎo)出對(duì)于芯片正常運(yùn)行是決定性的。具有高導(dǎo)熱能力的散熱薄膜是這方面的關(guān)鍵材料，發(fā)展高性能、低成本散熱薄膜材料已經(jīng)成為關(guān)系未來(lái)消費(fèi)電子、信息技術(shù)乃至人工智能等許多領(lǐng)域的關(guān)鍵。現(xiàn)有的散熱薄膜主要采用的是聚酰亞胺薄膜經(jīng)過(guò)高溫碳化、石墨化后形成的人造石墨膜，其原材料聚酰亞胺的制備技術(shù)掌握在杜邦公司手中，成本昂貴，國(guó)內(nèi)散熱膜加工企業(yè)的利潤(rùn)率不斷受到擠壓。