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首页 测试百科 十年磨一剑!他,顶级科学家,石墨烯产业化领军人物!

十年磨一剑!他,顶级科学家,石墨烯产业化领军人物!

   自2004年问世,石墨烯便引起了全球范围的广泛关注,这是一种改变世界的战略新兴材料,今天要介绍的正是石墨烯产业化的领军人物。

刘忠范,物理化学家,北京大学教授。1962年10月出生于吉林省九台县(现长春市九台区)。1983年8月毕业于吉林工学院(现长春工业大学)化学工程系,1987年3月获日本横滨国立大学硕士学位,1990年3月获东京大学博士学位。2011年当选为中国科学院院士,2015年当选为发展中国家科学院院士。现任全国政协常委、九三学社中央副主席、北京市政协副主席、九三学社北京市委主委、北京石墨烯研究院院长。(下图为两会期间刘忠范院士建言献策,为建设科技强国贡献智慧力量)

在纳米领域耕耘十余载的积累,使刘忠范及其团队很快在石墨烯领域取得突破,在石墨烯新材料的高温生长方法研究方面做出了一系列开拓性和引领性工作,成为驰名世界的石墨烯研究团队。2018年10月25日,北京石墨烯研究院揭牌成立,这是刘忠范团队开展石墨烯产业化的关键一步。“不要走不出实验室的石墨烯”,他这样说。

3年多来,刘忠范带领团队在石墨烯材料的规模化和工程化制备方面突破不断,先后推出了4英寸单晶石墨烯晶圆、6英寸单晶石墨烯晶圆、A3尺寸通用石墨烯薄膜、A3尺寸超洁净石墨烯薄膜、石墨烯玻璃纤维、超级石墨烯玻璃等明星产品,实现了从实验室样品到规模化产品、进一步到市场化商品的连续跨越,为推动石墨烯产业发展作出了重要贡献。

顶着天赋光环,刘忠范仍勤奋专注,他执着于兴趣,把兴趣变成了专业、职业、事业。高考时,家境贫困的他曾经坐着马车到达高考考点,在简陋的大车店过夜。不过他坦言,刻苦学习并非想改变贫穷的命运,只是单纯出于对知识的热爱和渴求。

下面我们从几篇顶刊来回顾一下刘忠范院士近期的科研成果:

1、Advanced Materials:垂直石墨烯(VG)增强燃料电池中的钛合金双极板

双极板(BP)是质子交换膜燃料电池的关键部件之一。在BP材料中,金属BP因其优异的综合性能而被广泛应用。然而,在酸性操作条件下,BP和气体扩散层之间的界面接触电阻(ICR)以及金属BP的腐蚀降低了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能和稳定性。北京大学刘忠范院士、彭海琳教授等研究人员提出了一种用于钛(Ti)合金BPs的表面增强的方法,该方法依赖于通过等离子体增强化学气相沉积方法直接生长的垂直石墨烯(VG)涂层。与裸钛合金相比,VG涂层钛合金在模拟PEMFC环境中的腐蚀速率降低了1-2个数量级,ICR降低了约100倍,而热导率提高了约20%,水接触角增大了68.1°。结果可以解释为VG的独特结构使得PEMFCs具有优异的导电性和导热性,并且高疏水性VG涂层抑制腐蚀性液体的渗透以及有助于水管理。这项研究为能源和催化剂应用中使用的高性能电极提供了一个新的机会,即通过坚固和通用的VG涂层来强化金属表面该研究以题为Vertical-Graphene-Reinforced Titanium Alloy Bipolar Plates in Fuel Cells “的论文发表顶级期刊Advanced Materials》上。

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202110565

2、Advanced Functional Materials综述:PECVD生长石墨烯薄膜的最新进展和应用

石墨烯因其引人入胜的材料特性和广泛的应用前景,引起了广泛的研究兴趣和实际应用。具体而言,由垂直排列的纳米片构成的垂直取向石墨烯(VG)是一种独特的材料类型,通常通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)途径实现。VG膜具有丰富的暴露活性边缘、大的表面积、相对高的电导率以及在平面内和平面外方向上优异的热性能。在各种功能衬底上直接合成这种VG薄膜使得它们能够无转移集成并直接应用于热管理、传感、能量存储和转换等领域。北京大学刘忠范院士和张艳锋研究员发表综述文章中,展示一些新型功能绝缘基底(如玻璃、功能陶瓷)上直接PECVD生长VG薄膜的最新进展,主要是在改善电导率、增强界面粘合和石墨烯生长取向调制方面。同时,PECVD衍生产品在各种新领域的应用也将被讨论,如光热转换、可开关窗口、摄影中的光衰减、透明加热和高功率器件的热管理。最后,还介绍高质量VG薄膜的可控合成和在不同领域的实际应用探索方面当前面临的挑战和未来的机遇。该综述以题为“Direct Plasma-Enhanced-Chemical-Vapor-Deposition Syntheses of Vertically Oriented Graphene Films on Functional Insulating Substrates for Wide-Range Applications的论文发表在顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。 


原文链接: 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202202026

3、ACS Nano: 双发射器石墨烯玻璃纤维织物,用于辐射加热

辐射加热作为一种重要的热管理技术,以其高热效应、无介质运行、良好的穿透性和对不同加热形状的兼容性而闻名。为了促进这一领域的可持续发展,迫切需要开发先进的红外辐射材料。北京大学刘忠范院士课题组采用化学气相沉积法,以石墨烯和玻璃纤维为辐射元件,制备了一种轻质、柔性双发射体红外电热材料——石墨烯玻璃纤维(GGF)。大面积GGF织物(GGFF)具有与波长无关的高红外发射率(0.92)和热辐射效率(79.4%),以及超快电热响应(9.30 W cm-2时为190.7°C s-1)和均匀的加热温度。GGFF的辐射加热能力优于传统合金电热丝,可节能33.3%。GGF可以促进高效节能热管理技术的发展。这项研究工作以“Dual-Emitter Graphene Glass Fiber Fabric for Radiant Heating”为题发表在国际顶级期刊《ACS Nano》上。

原文链接: 

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c09269

4、Advanced Materials: 铁磁石英石墨烯织物,超宽带强电磁干扰屏蔽

具有超高屏蔽效率(SE)的柔性电磁干扰(EMI)屏蔽材料对于高速电子设备来说是非常期望的,以衰减辐射发射。然而,为了阻止其内部或外部EMI场的干扰,金属外壳遭受相对低的SE、频带受限的抗EMI响应、差的耐腐蚀性以及对给定电路的复杂几何形状的不适应性。在这里,刘忠范院士课题组展示了一种宽带、强EMI屏蔽响应织物,该织物基于高度结构化的铁磁石墨烯石英纤维(FGQF ),通过调制掺杂化学气相沉积(CVD)生长工艺制成。对石墨氮掺杂结构的精确控制赋予了特定设计的石英织物上的石墨烯涂层高电导率(3906 S·cm-1)和高磁响应(300 k下的饱和磁化强度约为0.14 emu/g),从而获得了EMI屏蔽和电磁波(EMW)吸收的协同效应,用于宽带抗EMI技术。通过在毫米厚的石英织物上配置约20 nm厚的石墨烯涂层,大型耐用FGQF在宽带频率(1–18 GHz)上表现出约107 dB的非凡EMI SE。该工作为在柔性反电子侦察、反辐射和隐身技术的高级应用中开发工业规模、柔性、轻质、耐用和超宽带强屏蔽材料提供了潜力。项研究工作以“Ultra-broadband Strong Electromagnetic Interference Shielding with Ferromagnetic Graphene Quartz Fabric”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上

原文链接:

https://doi.org/10.1002/adma.202202982

5、Small Methods: 互补CVD法制备大面积均匀石墨烯玻璃纤维织物

轻质、柔性、高性能的电热材料在物体热管理中有很高的需求。石墨烯玻璃纤维织物(GGFF)具有导电性好、重量轻、柔韧性高等特点,显示出作为电热材料的优越性。然而,传统的单碳前驱体化学气相沉积(CVD)石墨烯生长策略普遍存在大尺寸石墨烯薄膜沿气流方向厚度严重不均匀的问题。在此,北京大学刘忠范/亓月课题组开发了基于同时引入高分解能垒和低分解能垒混合碳前体的互补CVD石墨烯生长策略。这样,制备了大面积均匀的GGFF,其不均匀系数显著降低(0.260 in 40 cm × 4 cm)。基于GGFF的加热器在低工作电压(< 10 V)和均匀的大面积加热温度(20 cm × 15 cm中为171.4±3.6°C)下呈现宽可调温度范围(20–170°C),在低能耗下实现了显著的防/除冰性能(在0.066 kWh mm-1 m-2的低能耗下,冰融化速度为79 s mm-1)。大面积均匀GGFF在热管理应用中具有显著的优势,并且互补的CVD制造策略显示出可靠的可扩展性和通用性,其可以扩展到各种材料的合成项研究工作以“Complementary Chemical Vapor Deposition Fabrication for Large-Area Uniform Graphene Glass Fiber Fabric”为题发表在国际著名期刊《Small Methods》上

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202200499

原文文献:后台回复“石墨烯”,即可获取文献原文。

 “矢志不渝家国梦,敢凭烯碳赌人生。”回到祖国怀抱30年,刘忠范用实力为自己的事业开拓了一片广阔的天空,也为祖国的纳米科技领域和人才培养奉献了自己的力量。“科学精神实际是追求真理,追求事实本身,由好奇心驱动, 其实质就是关注、认识和解释自然,没有私心杂念,更无过多功利性虚荣心。只有厚积培植科学精神滋长的土壤,才能孕育和激发出更多的原始创新。”

刘忠范认为未来的石墨烯产业首先是材料,材料做不好就谈不上有产业,材料的好坏程度决定了这个产业的规模。他最关心的是如何把产业的基石打牢,在规模化制备方面有所突破,这是主要任务。对于石墨烯的应用,在访谈中,刘忠范院士提到,“理论上讲石墨烯的用途是方方面面的,几乎任何场景都有可能用上石墨烯。从国内市场来讲,石墨烯应用可以归结有三大领域,一是做导电添加剂,比如做电动车电池导电添加剂时,充电速度就更快,容量也有所增加,相比传统的材料会更好。二是应用于大健康领域,比如在护膝、护腰、面膜等方面,电热产品是将电能转换成热能,做电加热,是电热性能的发挥。三是将石墨烯应用到重防腐涂料上,可以有力改善涂料的性能。这三大领域占据90%的石墨烯应用,石墨烯在其他方面仍有很多用途,但现在还是在发展过程中,不等于现在代表着未来的方向,对于石墨烯薄膜,我现在无法判断他的具体应用方向,但未来石墨烯的突破会集在薄膜产品的应用上。” 期待石墨烯产业化取得更大突破!

本文为e测试原创,未经允许禁止转载。

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