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包括高純度不同石墨片層大小石墨烯的可控制備及分離技術，石墨烯的立體 組裝技術，如大尺寸石墨烯薄膜、石墨烯氣凝膠、褶皺團狀石墨烯等。

首次提出石墨烯纖維的概念，提出液晶濕法紡絲策略實現了石墨烯纖維的連續(xù)制備及高性能化，開辟了從石墨制取碳纖維的全新路徑 一、項目分類 重大科學前沿創(chuàng)新 二、技術分析 本成果具有創(chuàng)新性、先進性。從高校的原創(chuàng)科學到原創(chuàng)技術，再到工程化推進，且已實現量產的技術成果。 成果第一完成人帶領科研與產業(yè)兩支隊伍，面向世界科技前沿、面向經濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，在單層氧化石墨烯及其宏觀組裝材料的產學研協(xié)同發(fā)展方面開展科學研究、技術轉化與產業(yè)化攻堅，獲得的成果如下： 發(fā)現了氧化石墨烯纖維在溶劑作用下精確可逆融合與分裂現象，揭示了二維大分子的獨特界面效應，打破纖維越粗越弱的Griffith定律，為未來粗且強的高性能纖維制備提供了新的理論依據，成果發(fā)表在Science雜志上；(2)發(fā)現氧化石墨烯的層狀和手性液晶新相態(tài)，為石墨烯宏觀有序組裝材料提供了理論基石；(3)首次提出石墨烯纖維的概念，提出液晶濕法紡絲策略實現了石墨烯纖維的連續(xù)制備及高性能化，開辟了從石墨制取碳纖維的全新路徑；(4)建立了較系統(tǒng)的液固相轉變組裝方法學，制備出“世界最輕固體”石墨烯超輕氣凝膠，突破固體表觀密度極限；解決了宏觀材料高導熱和高柔性不能兼顧的難題，獲得了高導熱超柔性石墨烯導熱膜。 發(fā)明的新型石墨烯纖維，得到了Nature在線新聞（2011, 78）、Nature 石墨烯增刊（2012, 483, S33）等雜志期刊的高度評價：“石墨烯物理性能優(yōu)異，但要駕馭這些性能，必須找到能將優(yōu)異性能納米級粒子轉化為宏觀材料的方法。來自中國杭州浙江大學的許震和高超正好實現了這一目標”等。石墨烯纖維打結圖與美國奮進號、俄羅斯聯盟號飛船等一起入選了Nature 2011年度最具影響力圖像，入選理由為:“這一400微米石墨烯結由中國浙江大學許震和高超制備，顯示了納米尺度精巧的結構控制。許和高將氧化石墨烯液晶紡制成米級柔性纖維并轉化成石墨烯紗線”。成果第一完成人“因石墨烯纖維的基礎研究工作”，獲得首屆錢寶鈞纖維材料青年學者獎。 獲得的多維度多功能石墨烯宏觀組裝材料，得到了Nature（Nature 2013, 494, 404）、（Nature 2013, 497, 448）及Advanced Science News等的亮點評價或撰文評價：“浙江大學高超團隊用非模板法獲得了導電、彈性并且密度低于空氣的固體泡沫材料”，“浙江大學高超教授及同事報道了具有超高導熱且超柔性特性的石墨烯材料。這樣的設計理念和實驗策略能夠拓展至其他二維納米材料中，使得很多大面積多功能的二維材料能夠應用到現實世界的柔性器件中，從航空航天到智能手機，不一而足”等。超輕石墨烯氣凝膠獲得了 “世界最輕固體”吉尼斯世界紀錄，入選了“2013中國十大科技進展新聞”。 在Science、Nat. Electron.、Sci. Adv.、Adv. Mater.等國際知名期刊發(fā)表學術論文240余篇，連續(xù)四年入選科睿唯安全球“高被引科學家”。授權中國發(fā)明專利百余件、國際專利8件。承擔國家自然基金委重大、重點、杰青項目及軍科委、科工局等項目10多項，項目總經費近億元。

本發(fā)明提供了一種石墨烯快速剝離的方法；該方法包括 S1 利用化學氣相沉積法在鎳片上生長石墨烯；其中生長溫度為 750℃～1000℃，生長時間為 10～30 分鐘，生長時通入氣體為甲烷 10～80sccm和氫氣 5～10sccm 并保持生長氣壓為常壓；S2 將所述附著有石墨烯的鎳片浸泡在氯化鐵溶液中，經過電化學腐蝕后獲得剝離后的石墨烯。本發(fā)明可以在幾十秒到幾十分鐘內把石墨烯無破損地從基底鎳片上剝離下來。這為石墨烯的基礎研究和應用提供一種快速的新途徑。本發(fā)明操作簡單，可以快速的把石墨烯轉移到任何基片上；

本發(fā)明公開了一種具有良好分散性的改性石墨烯，以及制備這 種改性石墨烯的方法。通過非共價鍵的作用，在石墨烯表面修飾高分 子材料，使其具有良好的分散性。這種改性石墨烯的具體制備方法為： 在芳香族小分子上接枝咪唑類化合物，通過咪唑引發(fā)環(huán)氧開環(huán)聚合或 與末端帶有鹵素基團的長鏈高分子直接反應，得到末端為芳香基團的 長鏈芳香族化合物，并在分散有氧化石墨烯且具有還原性的溶劑中， 通過一步法在還原氧化石墨烯的同時將其以非共價鍵的形式

石墨烯中電子除了自旋這個內秉自由度，還有子格贗自旋和谷贗自旋自由度。石墨烯中電子的多自由度給石墨烯帶來了很多新奇的物理性質。單原子缺陷是材料體系中最簡單的缺陷形式，可以作為一種模型體系來幫助了解缺陷對材料性質的影響和調控。物理學系何林教授課題組長期致力于研究石墨烯中的單原子缺陷，發(fā)現缺陷可對石墨烯中自旋、子格贗自旋和谷贗自旋相關的電學性質產生深刻影響。例如，他們利用掃描隧道顯微鏡（STM）首次證實石墨烯中單原子空位缺陷存在局域自旋磁矩，并在原子尺度上實現了對其自旋磁矩調控，實現了三種自旋量子態(tài)；觀測到石墨烯中單原子缺陷引入的對稱性破缺態(tài)，并系統(tǒng)地測量了缺陷附近谷極化和谷依賴的自旋極化在實空間的分布情況。 石墨烯中電子的子格贗自旋來自于其六角晶格結構，有A和B兩套子格，因此波函數數學形式上類似于自旋。對于電子自旋有很多有意思的可觀測物理現象，那么對應石墨烯中的子格贗自旋是否有可觀測的物理現象呢？帶著這一問題，何林教授課題組開展了深入研究。他們發(fā)現石墨烯中的單原子缺陷可以使準粒子在石墨烯手性不同的兩個谷之間發(fā)生彈性散射，并伴隨著子格贗自旋的旋轉，在缺陷附近產生一個原子尺度的子格贗自旋渦旋，而贗自旋在渦旋（單原子缺陷）的繞數直接反映了體系的Berry相位（圖1）。通常來說，貝利相位的測量需要借助于外加磁場，因為磁場可以驅動準粒子沿閉合的軌跡絕熱運動，所以這一的結果提供了一個簡單的方法測量不同層石墨烯Berry相位的方法。何林教授課題組利用STM測量單原子缺陷引起的谷間散射形成的電荷密度波振蕩，證明電荷密度波振蕩在實空間中增加的額外波前條紋數直接反映了子格贗自旋在渦旋的繞數，從而可直接測量不同層石墨烯的Berry相位。最近的工作中，他們對雙層石墨烯進行了詳細的研究，并將相關結果推廣到多層石墨烯體系。進一步他們還研究了相同和相反繞數的子格贗自旋渦旋的量子干涉。上述結果直接證明了子格贗自旋有很多豐富有趣的物理現象亟待深入研究，也為子格贗自旋物理提供了全新的研究思路。

石墨烯具有優(yōu)異的機械,導電以及導熱性能,在納米科學和材科領域具有極大的應用價值,尤其是在電容器,傳感器,柔性薄膜電路以及復合材料等方面已經吸引全球科學界和工業(yè)界廣泛的關注。本技術以氧化石墨烯(GO)為前驅體,同步還原與修飾GO,制備了多種環(huán)氧/石墨烯功能納米復合材料該石墨烯氣凝膠具有低密度,開孔結構,高導電性以及良好的機械性能與成型性等優(yōu)點。通過真空輔助浸漬成型法,制備了高導電的環(huán)氧／三維石墨烯納米復合材料,當石墨烯含量為體積分數適當時,復合材料的電導率達到4×10-2S/m,比純環(huán)氧基體提高了13個數量級。良好導電性能的原因是石墨烯氣凝膠在制備復合材料過程中保持了導電網絡結構完整性,而且與聚合物基體浸潤性良好。

石墨烯中電子除了自旋這個內秉自由度，還有子格贗自旋和谷贗自旋自由度。石墨烯中電子的多自由度給石墨烯帶來了很多新奇的物理性質。單原子缺陷是材料體系中最簡單的缺陷形式，可以作為一種模型體系來幫助了解缺陷對材料性質的影響和調控。物理學系何林教授課題組長期致力于研究石墨烯中的單原子缺陷，發(fā)現缺陷可對石墨烯中自旋、子格贗自旋和谷贗自旋相關的電學性質產生深刻影響。例如，他們利用掃描隧道顯微鏡（STM）首次證實石墨烯中單原子空位缺陷存在局域自旋磁矩，并在原子尺度上實現了對其自旋磁矩調控，實現了三種自旋量子態(tài)；觀測到石墨烯中單原子缺陷引入的對稱性破缺態(tài)，并系統(tǒng)地測量了缺陷附近谷極化和谷依賴的自旋極化在實空間的分布情況。 石墨烯中電子的子格贗自旋來自于其六角晶格結構，有A和B兩套子格，因此波函數數學形式上類似于自旋。對于電子自旋有很多有意思的可觀測物理現象，那么對應石墨烯中的子格贗自旋是否有可觀測的物理現象呢？帶著這一問題，何林教授課題組開展了深入研究。他們發(fā)現石墨烯中的單原子缺陷可以使準粒子在石墨烯手性不同的兩個谷之間發(fā)生彈性散射，并伴隨著子格贗自旋的旋轉，在缺陷附近產生一個原子尺度的子格贗自旋渦旋，而贗自旋在渦旋（單原子缺陷）的繞數直接反映了體系的Berry相位（圖1）。通常來說，貝利相位的測量需要借助于外加磁場，因為磁場可以驅動準粒子沿閉合的軌跡絕熱運動，所以這一的結果提供了一個簡單的方法測量不同層石墨烯Berry相位的方法。何林教授課題組利用STM測量單原子缺陷引起的谷間散射形成的電荷密度波振蕩，證明電荷密度波振蕩在實空間中增加的額外波前條紋數直接反映了子格贗自旋在渦旋的繞數，從而可直接測量不同層石墨烯的Berry相位。最近的工作中，他們對雙層石墨烯進行了詳細的研究，并將相關結果推廣到多層石墨烯體系。進一步他們還研究了相同和相反繞數的子格贗自旋渦旋的量子干涉。上述結果直接證明了子格贗自旋有很多豐富有趣的物理現象亟待深入研究，也為子格贗自旋物理提供了全新的研究思路。

項目簡介： 石墨烯具有優(yōu)異的導電性和機械性能，在鋰電、超級電容器等方面有廣闊的應用前景，但國內市場化的石墨烯以多層為主，性能優(yōu)異的單層石墨烯價格昂貴。本項目開發(fā)了一種綠色、低成本、可大規(guī)模制備的高性能單層石墨烯技術，工業(yè)前景廣闊。社會經濟效益：低成本、高性能、無污染、應用廣、可實現大規(guī)模生產。創(chuàng)新點：綠色環(huán)保、成本低、性能優(yōu)異、適宜規(guī)模化生產。

本發(fā)明公開了一種石墨烯復合膜片上電感，屬于微電子器件技術領域。本發(fā)明中，位于襯底上方的 片上電感采用石墨烯復合膜作為電感線圈材料，石墨烯復合膜由石墨烯層、絕緣介質層、金屬導電層依 次疊加組成。其中，石墨烯層和金屬導電層共同組成片上電感的導電通道，有利于降低電感電阻值，提 高電感品質因數；絕緣介質層位于石墨烯層與金屬導電層之間，對石墨烯層和金屬導電層主體進行隔離 以降低金屬導電層對石墨烯中電子輸運的干擾，使石墨烯提供大動態(tài)電感，大幅增加片上電感電

“石墨烯微結構的精準調控及其應用”首次實現石墨烯單晶量子點和單層石墨烯微結構的精準控制。 一、項目分類 重大科學前沿創(chuàng)新 二、成果簡介 近年來，石墨烯領域未獲得突破性應用成果，也未找到“殺手锏”應用領域，關鍵是石墨烯結構調控不到位。一個基本的共識是，對石墨烯材料的結構進行設計和調控，有助于在光電器件、能源轉化存儲、重大疾病診療、污染物治理等領域取得重大突破。上海大學吳明紅院士領銜的研究團隊聚焦“石墨烯微結構的精準調控及其應用”取得了開創(chuàng)性的研究成果，首次實現石墨烯單晶量子點和單層石墨烯微結構的精準控制，在Nature及其子刊上發(fā)表十余篇系列論文，獲得國家自然科學二等獎。負責人吳明紅是中國工程院院士、俄羅斯工程院和俄羅斯科學院外籍院士，獲國家杰出青年基金、教育部長江學者及創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃等支持。團隊依托有機復合污染控制工程教育部重點實驗室，推動基礎科研成果向應用轉化，在生物醫(yī)學、環(huán)境治理等領域取得了相關應用突破。 一、主要理論突破 聚焦于研究主題，團隊在以下三個方面取得重要突破： 1）為解決傳統(tǒng)方法制備的石墨烯缺陷多，無法量產的問題，團隊在分子水平上首次使用分子融合法實現了高品質單晶石墨烯量子點的可控制備。通過對單晶石墨烯量子點精準的物理化學性質調控實現了不同亞細胞器的定位，有力推動了石墨烯量子點在生物成像、重大疾病診療中的應用。 2）為解決單層石墨烯容易聚集的難題，團隊通過“原位復合與還原”一步法調控策略，獲得單層石墨烯復合催化材料。團隊首次在該材料上觀測到光生電子空穴對分離的皮秒級超快過程，發(fā)現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，為高質量單層石墨烯復合材料在催化等領域的廣泛應用奠定了堅實的理論基礎。 3）精確調節(jié)石墨烯層間距，可以將石墨烯有針對性地應用于離子篩分、污染物選擇性吸附等廣泛領域。團隊通過金屬水合離子的層間插入控制氧化石墨烯層間距，在國際上首次實現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、地表水水質提升上的應用 地表水內源污染治理的關鍵是削減河道污染負荷，重建水生生態(tài)。團隊以層間距可控石墨烯為基質，發(fā)展了水環(huán)境污染生態(tài)修復的疊層材料。以石墨烯為基體的復合微生物在其表面生長并形成生物膜，通過石墨烯和生物膜的協(xié)同作用，對水體污染物進行高效截留、吸附并降解。該復合技術運行成本低，治理周期短，工藝簡單，無需底泥疏浚即可將地表水提升至IV類水以上水質指標，對河水的COD、氨氮和總磷，去除率達到80%以上。目前，團隊已與上海寶山區(qū)政府建立多個石墨烯治理黑臭水體示范基地，顯著提升當地水質環(huán)境水平。 三、石墨烯負極材料的鈉離子電池儲能系統(tǒng)應用 鋰資源的匱乏，不足以支撐鋰離子電池在儲能市場的廣泛應用，其成本較高的弊端也逐漸顯露。同時國內外化學儲能市場需求越來越大，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。 經過對鈉離子電池材料體系篩選和研究，本團隊核心材料選用普魯士藍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極。其中普魯士藍制備主要采用沉淀法及水熱法，能耗更低。此外，普魯士藍能夠作為一種染料進行使用，其安全性非常高。經過一系列放大，正極普魯士藍材料的充放電比容量達到160 mAh/g，碳負極材料的充放電比容量達到300 mAh/g。經過中試線生產預制，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條鈉離子電池儲能全自動生產線及相關配套設施，研發(fā)生產低成本、高安全、長壽命鈉離子電池關鍵材料，實現高性能鈉離子電池產品產業(yè)化，預計至2026年項目達產后，年產值達約22.5億元；年畝均產值1666萬元。 四、石墨烯傳感材料在呼吸式血糖儀中的應用 我國糖尿病人數眾多，并逐年上升。血糖檢測儀與檢測試紙市場規(guī)模約為460億元，然而國外品牌卻占市場份額大半。現有血糖儀采取長期有創(chuàng)刺血檢測，存在很大感染風險，給病友帶來巨大的生理和心理上的痛苦。呼吸式血糖檢測無創(chuàng)，吹氣即可檢測，完美解決市場痛點。 糖尿病患者呼吸的氣體中，可檢測的VOCs較異常，需要高靈敏度的氣體傳感器進行識別。但是，常規(guī)氣敏傳感材料檢測限與響應恢復能力不足，且難以在復雜氣體氛圍中實現特異性檢測。團隊通過對石墨烯帶隙和表界面特性的精確調控，實現皮秒級載流子空穴的形成，從而實現對氣體分子的快速響應，解決氣體傳感器靈敏度、選擇性和響應恢復迅速的關鍵科學問題。研發(fā)的呼吸式血糖儀可滿足確診病友的日常檢查、實現醫(yī)院、公共場所快速篩查、手機APP記錄管理以及網上專家互動診斷等功能，具有無創(chuàng)傷、無痛苦、便捷即時（15s）等特點，是首款呼吸式血糖檢測產品。目前已二類醫(yī)療器械證書，即將已進入臨床階段。