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石墨烯是一種典型的單原子層二維材料，具有獨(dú)特的狄拉克電子結(jié)構(gòu)、超高的載流子遷移率和濃度，在高速、高質(zhì)量薄膜器件集成等方面顯示出潛在應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。然而，本征石墨烯呈金屬或半金屬特性，限制了其在器件中的應(yīng)用。本成果從石墨烯的可控生長(zhǎng)及多維多尺度宏觀結(jié)構(gòu)組裝出發(fā)，探索調(diào)控石墨烯電子結(jié)構(gòu)的有效方法，推動(dòng)其在納米能源和傳感器件中的集成與應(yīng)用。 主要內(nèi)容包括： 1.高質(zhì)量石墨烯薄膜的大面積可控制備、轉(zhuǎn)移工藝，及多維多尺度宏觀結(jié)構(gòu)組裝技術(shù)； 2.開(kāi)發(fā)了高效異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池和光電探測(cè)器產(chǎn)品，具有規(guī)模集成的納米能源器件制造方法和工藝。太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率超過(guò) 15%；光電探測(cè)器的靈敏度比同類(lèi)商用光電器件高 3 個(gè)數(shù)量級(jí)，在保持同樣光電流響應(yīng)的情況下，其暗電流和噪聲等效功率分別了降低了 2個(gè)和 3 個(gè)數(shù)量級(jí)； 3.開(kāi)發(fā)了系列柔性傳感器產(chǎn)品，及面向移動(dòng)醫(yī)療可穿戴應(yīng)用的傳感器制造方法和工藝。不僅可探測(cè)應(yīng)變、壓力、扭轉(zhuǎn)、有機(jī)物、聲波等信號(hào)，還對(duì)多種微變形（包括損傷、振動(dòng)等）高靈敏度識(shí)別，具有與生理信息互聯(lián)的特點(diǎn)，可監(jiān)測(cè)和掃描生命體的生理狀態(tài)，如脈搏、呼吸、心跳、語(yǔ)音等人體活動(dòng)。 

2020年2月7日，在東南大學(xué)孫立濤教授的建議下，其研發(fā)的“石墨烯基KN95口罩”聯(lián)合合作單位近日將40萬(wàn)只以最快的速度直接發(fā)往武漢。這款石墨烯基KN95口罩由孫立濤教授研發(fā)。2016年，經(jīng)第三方測(cè)試，這種口罩對(duì)PM2.5的去除率高達(dá)97.1%。 這款口罩將石墨烯復(fù)合物溶液噴涂于過(guò)濾網(wǎng)上，能夠有效去除（干、濕）空氣中的粉塵及PM2.5。目前市場(chǎng)上多數(shù)口罩是通過(guò)靜電吸附微小顆粒物，但呼吸的水汽會(huì)讓靜電消失，配戴一個(gè)小時(shí)吸附效果就會(huì)顯著下降而致吸附失效。石墨烯基口罩借助石墨烯超大的比表面積優(yōu)勢(shì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)微小顆粒物的直接吸附，不存在遇水汽失效問(wèn)題，可以長(zhǎng)時(shí)間保持高效吸附率，其防護(hù)效果級(jí)別達(dá)到了2016年新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高級(jí)別：A級(jí)。

這款口罩將石墨烯復(fù)合物溶液噴涂于過(guò)濾網(wǎng)上，能夠有效去除（干、濕）空氣中的粉塵及PM2.5。目前市場(chǎng)上多數(shù)口罩是通過(guò)靜電吸附微小顆粒物，但呼吸的水汽會(huì)讓靜電消失，佩戴一個(gè)小時(shí)吸附效果就會(huì)顯著下降而致吸附失效。石墨烯基口罩借助石墨烯超大的比表面積優(yōu)勢(shì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)微小顆粒物的直接吸附，不存在遇水汽失效問(wèn)題，可以長(zhǎng)時(shí)間保持高效吸附率，其防護(hù)效果級(jí)別達(dá)到了2016年新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高級(jí)別：A級(jí)。2016年，經(jīng)第三方測(cè)試，這種口罩對(duì)PM2.5的去除率高達(dá)97.1[%]。因?yàn)榇舜畏窝滓咔橹械牟《灸壳爸饕ㄟ^(guò)飛沫或在空氣中形成氣凝膠傳播，與通常的霧霾顆粒類(lèi)似，所以石墨烯基口罩的防病毒功能很好。

1 成果簡(jiǎn)介石墨烯是一種典型的單原子層二維材料，具有獨(dú)特的狄拉克電子結(jié)構(gòu)、超高的載流子遷移率和濃度，在高速、高質(zhì)量薄膜器件集成等方面顯示出潛在應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。然而，本征石墨烯呈金屬或半金屬特性，限制了其在器件中的應(yīng)用。本成果從石墨烯的可控生長(zhǎng)及多維多尺度宏觀結(jié)構(gòu)組裝出發(fā)，探索調(diào)控石墨烯電子結(jié)構(gòu)的有效方法，推動(dòng)其在納米器件中的集成與應(yīng)用。 主要內(nèi)容包括：石墨烯晶片的形狀、尺寸控制， 多維多尺度宏觀結(jié)構(gòu)的原位生長(zhǎng)與組裝；石墨烯的結(jié)構(gòu)（拓?fù)洌┡c化學(xué)改性：采用缺陷、應(yīng)變和化學(xué)修飾等手段對(duì)石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控；研究石墨烯在外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光激發(fā)等條件下，電子結(jié)構(gòu)的演變及電子、光子、激子、聲子等的相互作用； 器件組裝與表征：晶體管、傳感器、結(jié)、異質(zhì)/雜化結(jié)構(gòu)等。2 應(yīng)用說(shuō)明基于石墨烯的二維薄膜材料已成功應(yīng)用于太陽(yáng)能電池和超級(jí)電容器等能源器件，顯示出優(yōu)異的能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)性能及良好的工作穩(wěn)定性。某些特色多維多尺度結(jié)構(gòu)可與其它納米材料（如碳納米管、二氧化鈦、二氧化錳）構(gòu)建復(fù)合結(jié)構(gòu)，在吸附、水處理、傳感、光催化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。  圖 1 石墨烯編織結(jié)構(gòu)                              圖2 石墨烯晶片/納米顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu) 該項(xiàng)目的相關(guān)研究工作已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利 5 項(xiàng)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。3 效益分析目前，石墨烯在全球范圍內(nèi)尚未形成穩(wěn)定的工業(yè)化需求， 但從需求市場(chǎng)的潛力來(lái)看，石墨烯在應(yīng)用上將逐漸擴(kuò)大。隨著技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)發(fā)展，石墨烯獨(dú)特的力學(xué)與電學(xué)性能，將使其在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用市場(chǎng)，特別是電子、新材料、航天軍工等領(lǐng)域，發(fā)揮重要的甚至是革命性的作用，產(chǎn)生規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。4 合作方式技術(shù)轉(zhuǎn)讓或合作開(kāi)發(fā)，商談。5 所屬行業(yè)領(lǐng)域能源環(huán)境。

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油開(kāi)采、油品運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程的泄漏造成了越來(lái) 越嚴(yán)重的環(huán)境污染，并已嚴(yán)重威脅到人類(lèi)的生存。如何有效的祛除這些油類(lèi)污 染物成為了全球性的研究課題。為此，我們以石墨烯為原材料，成功制備了一 種新型的石墨烯海綿。 石墨烯是一種由碳原子以特殊結(jié)構(gòu)排列而成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料是世 上已知的最薄、最堅(jiān)硬的納米材料，而且它的柔韌性也很強(qiáng)，對(duì)芳香性的分子 具有很強(qiáng)的吸附能力。利用石墨烯的這些特性，我們將石墨烯和聚合物復(fù)合到 一起，通過(guò)原位聚合的方法合成了石墨烯海綿（如下圖 1 所示）。石墨烯海綿 的合成過(guò)程簡(jiǎn)單，條件溫和，海綿的形狀和大小可以通過(guò)改變?nèi)萜鞯男螤詈痛?小來(lái)控制，成本低，可大規(guī)模批量生產(chǎn)。所制成的海綿具有親油疏水、大孔徑、 高彈性等特點(diǎn)，能夠特異性的吸附水體中的油類(lèi)（如：汽油、柴油、原油等） 和有機(jī)污染物（如：四氯化碳、正己烷、環(huán)己烷等），并且利用其彈性可以將 吸附的油類(lèi)污染物擠出，可進(jìn)行循環(huán)利用。因此，這種新型石墨烯海綿在處理 油水混合物領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，可以用于處理海洋溢油，含油廢水，生 活污水等。 

團(tuán)隊(duì)研究后發(fā)現(xiàn)，樟腦與石墨烯表面吸附能較小，作為輔助轉(zhuǎn)移層時(shí)可以?xún)H通過(guò)室溫下干燥升華、低溫短時(shí)間退火或無(wú)水乙醇試劑清洗被完全除去。這避免了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移方法中去除轉(zhuǎn)移支撐層所使用的有機(jī)試劑長(zhǎng)時(shí)間浸泡和高溫退火等操作，減少了對(duì)石墨烯薄膜的品質(zhì)損壞，并擴(kuò)展了石墨烯在諸多柔性基底上的應(yīng)用。 除此之外，在使用自制的樟腦溶液旋涂至石墨烯薄膜上并刻蝕掉銅基底時(shí)，石墨烯薄膜周?chē)纬闪艘粚诱聊X油包圍層，對(duì)石墨烯薄膜提供了緊固保護(hù)。團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，由于樟腦油層在

升溫迅速、采暖舒適、高效節(jié)能環(huán)保、保健作用、強(qiáng)度高，重量輕、安裝方便、運(yùn)行費(fèi)用低、控制靈活、壽命長(zhǎng)久、安全可靠。

項(xiàng)目采用石墨烯改性方法制備的石墨烯導(dǎo)電纖維，其表面電阻為表面電阻104～105歐姆，耐水洗和皂洗，具有導(dǎo)電、遠(yuǎn)紅外發(fā)射、防紫外、抗菌抑菌、自清潔和拒水等功能。

一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介石墨烯可以視為單層石墨結(jié)構(gòu)，其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)及其優(yōu)良導(dǎo)電性使其在微電子、半導(dǎo)體、電池以及防腐涂層中得到應(yīng)用。目前石墨烯生產(chǎn)方法主要有機(jī)械剝離法，化學(xué)氣相沉積法，電輔助氧化法和氧化還原法。表 1 里列舉了這幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。表 1 石墨烯各生產(chǎn)方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比生產(chǎn)方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)石墨烯品質(zhì)較高，操作簡(jiǎn)單，成本低廉獲得的石墨烯尺寸不穩(wěn)定，無(wú)機(jī)械剝離法法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。操作相對(duì)簡(jiǎn)單，石墨烯可以大面積生長(zhǎng)，得到的石墨烯較為完整，質(zhì)量較好高溫工藝，成本高；化學(xué)氣相沉積法電輔助氧化法只能達(dá)到平方厘米的量級(jí)，難以滿(mǎn)足石墨烯的工業(yè)化應(yīng)用難以控制石墨烯生長(zhǎng)層數(shù)；石墨烯較難從 SiC 基板上轉(zhuǎn)移；使用強(qiáng)氧化劑，有害氣體產(chǎn)生。石墨烯在生產(chǎn)過(guò)程易發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的團(tuán)聚；生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單易行的工藝成、高效且成本較低氧化還原的過(guò)程中，電子結(jié)構(gòu)及晶體的完整性易被破壞，難以生產(chǎn)高品質(zhì)產(chǎn)品；氧化還原法生產(chǎn)廢液造成環(huán)境污染。本團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的石墨烯采用氣氛-電弧法，可以實(shí)現(xiàn)石墨烯的快速制備。相比于傳統(tǒng)石墨烯制備方法，它具有如下優(yōu)勢(shì)：1）生產(chǎn)效率極高。氧化法制備石墨烯耗時(shí)約 3-7 天電弧法可在幾分鐘到十-- 130 --西安交通大