【期刊】《物理化学学报》2022年第1期
COVERSTORY
The cover image represents the efficient heat conduction of graphene. In article No. 2101013, Kang et al. summarized the recent progress on intrinsic thermal conductivity, thermal measurement, and thermal management applications of graphene. Specifically, investigations regarding the application of graphene film, graphene fiber, and graphene-enhanced thermal interface materials are reported, demonstrating the promising future of thermal management applications of graphene.
CONTENTS
专 访 | SPOTLIGHT
专访富碳纳米材料领域代表人物——智林杰研究员
《物理化学学报》编辑部
2022, 38 (1): 2104011.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB202104011
前 言 | PREFACE
石墨烯的功能与应用——生长、性质与新器件
王斌, 智林杰
2022, 38 (1): 2103059.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB202103059
展 望 | PERSPECTIVE
石墨烯三维结构组装体制备及光热水蒸发和水处理研究进展
陈清, 赵健, 程虎虎, 曲良体
2022, 38 (1): 2101020.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB202101020
摘要：水资源短缺是世界长期面临的问题，当前全球80多个国家的约15亿人口面临淡水不足，其中26个国家的3亿人口完全生活在缺水状态。近年来，人们开发了新型太阳能界面水蒸发材料和技术，能够利用高效光热材料吸收太阳能转化为热能，实现大量的、快速的水蒸发，冷凝后收集便得到洁净水，是一种高效、绿色、低成本水处理和解决水资源短缺的方法。石墨烯三维组装体材料的物理和化学性质优异，光热转化效率高，同时其太阳光吸收率高，内部微纳孔道丰富，具有良好的水传输通道，表面水蒸发面积大，在太阳光照射下能够实现超高的水蒸发速率，在光热水处理方面展现了巨大的科学研究意义和实用价值。本文将综述石墨烯三维组装体的制备及光热水处理方面的研究进展，包括石墨烯三维结构组装体制备方法，其光热水蒸发性能，总结了石墨烯三维结构组装体在光热水蒸发及水处理方面的应用，最后分析了石墨烯三维结构组装体光热水处理面临的问题及展望。
综 述 | REVIEW
金属衬底在石墨烯化学气相沉积生长中的作用
程婷, 孙禄钊, 刘志荣, 丁峰, 刘忠范
2022, 38 (1): 2012006.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB202012006
摘要：以过渡金属为催化衬底的化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)已经可以制备与机械剥离样品相媲美的石墨烯，是实现石墨烯工业应用的关键技术之一。原子尺度理论研究能够帮助我们深刻理解石墨烯生长机理，为实验现象提供合理的解释，并有可能成为将来实验设计的理论指导。本文从理论计算的角度，总结了各种金属衬底在石墨烯CVD生长过程中的各种作用与相应的机理，包括在催化碳源裂解、降低石墨烯成核密度等，催化加快石墨烯快速生长，修复石墨烯生长过程中产生的缺陷，控制外延生长石墨烯的晶格取向，以及在降温过程中石墨烯褶皱与金属表面台阶束的形成过程等。在本文最后，我们对当前石墨烯生长领域中亟需解决的理论问题进行了深入探讨与展望。
气相反应对CVD生长石墨烯的影响
陈恒, 张金灿, 刘晓婷, 刘忠范
2022, 38 (1): 2101053.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB202101053
摘要：化学气相沉积法(CVD)制备的石墨烯薄膜具有质量高、均匀性好、层数可控且可放大等优点，近年来受到了学术界和工业界的广泛关注。在高温CVD生长过程中，除衬底表面的反应外，气相反应同样会影响石墨烯的生长行为和薄膜质量。本文将综述气相反应对CVD生长石墨烯的影响：首先对CVD体系内的气相传质过程和气相反应进行了详细讨论；随后系统介绍了基于气相调控提高石墨烯的结晶性、洁净度、畴区尺寸、层数和生长速度的相关策略及其机理；最后对气相反应影响CVD生长石墨烯的规律进行总结，并展望了未来可能的发展方向。
超洁净石墨烯薄膜的制备方法
刘晓婷, 张金灿, 陈恒, 刘忠范
2022, 38 (1): 2012047.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB202012047
摘要：化学气相沉积(Chemical vapor deposition，CVD)法制备的石墨烯薄膜具有质量高、可控性好、可放大等优点，近年来受到了学术界和工业界的广泛关注。然而，近期研究结果表明，在高温CVD生长石墨烯的过程中，伴随着许多副反应，这些副反应会导致石墨烯薄膜表面沉积大量的无定形碳污染物，造成石墨烯薄膜的“本征污染”现象。同时，这些污染物的存在会导致转移后的石墨烯薄膜表面更脏，对石墨烯材料和器件的性能带来严重影响。这也是CVD石墨烯薄膜的性能一直无法媲美机械剥离石墨烯的重要原因之一。事实上，超洁净生长方法制备得到的超洁净石墨烯薄膜在诸多指标上都给出了目前文献报道的最好结果，代表着石墨烯薄膜材料制备技术的发展前沿。本文首先对CVD法制备石墨烯过程中表面污染物的形成机理进行分析，然后综述了超洁净石墨烯薄膜的制备方法，并列举了超洁净石墨烯薄膜的优异性质。最后，总结并展望了超洁净石墨烯未来可能的发展方向和规模化制备面临的机遇与挑战。
功能化石墨烯材料：定义、分类及制备策略
马英杰, 智林杰
2022, 38 (1): 2101004.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB202101004
摘要：自2004年被成功制备后，石墨烯因其独特迷人的性质在近十几年来备受关注，同时也引发了二维纳米材料的研究热潮。单原子层厚度的二维结构赋予石墨烯非同寻常的光学、电子学、磁学及力学等性质，使得石墨烯在生物学、医学、化学、物理学和环境科学等多个领域展现出极大的应用潜力。制得注意的是，石墨烯在应用时通常需要进行功能化，调节其组成、大小、形状和结构等，以便于加工处理或满足不同的应用需求。石墨烯功能化方法多样，功能化产物也是种类繁多。然而，到目前为止，石墨烯功能化产物并没有系统全面的分类和精确的定义。因此，本文在系统总结现有石墨烯功能化研究的基础上，给出了石墨烯功能化产物的系统分类、各类的精确定义和相应的制备策略，并通过典型示例进行了详细地阐述。石墨烯功能化的产物统称为“功能化石墨烯材料”，分为两类：“功能化石墨烯”和“功能化石墨烯复合材料”。功能化石墨烯材料的制备可由“自上而下”和“自下而上”两种策略实现。制备策略的选择取决于应用需求。系统分类、精确命名和制备策略的归纳必将有助于功能化石墨烯材料的进一步发展。
石墨烯导热研究进展
宋厚甫, 康飞宇
2022, 38 (1): 2101013.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB202101013
摘要：石墨烯具有目前已知材料中最高的热导率，在电子器件、信息技术、国防军工等领域具有良好的应用前景。石墨烯导热的理论和实验研究具有重要意义，在最近十年间取得了长足的发展。本文综述了石墨烯本征热导率的研究进展及应用现状。首先介绍应用于石墨烯热导率测量的微纳尺度传热技术，包括拉曼光谱法、悬空热桥法和时域热反射法。然后展示了石墨烯热导率的理论研究成果，并总结了石墨烯本征热导率的影响因素。随后介绍石墨烯在导热材料中的应用，包括高导热石墨烯膜、石墨烯纤维及石墨烯在热界面材料中的应用。最后对石墨烯导热研究的成果进行总结，提出目前石墨烯热传导研究中存在的机遇与挑战，并展望未来可能的发展方向。
层间共价增强石墨烯材料的构筑、性能与应用
梁涛, 王斌
2022, 38 (1): 2011059.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB202011059
摘要：大批量石墨烯可控制备技术的逐渐成熟为实现其宏观组装和应用提供了基础。在众多的组装策略中，调节石墨烯层间的界面相互作用可以直接影响组装体的力学、电学、热学以及渗透等性质，具有重要的意义。石墨烯片层间以共价键连接的层间共价石墨烯材料以其可调的层间距、较强的层间作用力、丰富的功能化、以及可能的原子构型重排等特性，受到了广泛的关注和深入的研究。相比于其他非共价的键合手段，共价连接是一种更为牢固的枢纽。本文中我们将总结讨论层间共价石墨烯材料的构筑方法、性能以及应用。在构筑方法中，依据石墨烯本身的制备方法分为氧化还原法以及化学气相沉积法，而在氧化还原法中，以其宏观材料的形貌分为纸状和纤维状来讨论。接着，我们重点介绍了层间共价对其力学和电学性能的影响，并概述了此类宏观组装体材料的应用。层间共价石墨烯材料继承了石墨烯自身优异的特性，同时也具有宏观组装所赋予的性能，有望在多个领域得到广泛的应用。
表面电荷转移掺杂石墨烯的研究进展
马来鹏, 任文才, 成会明
2022, 38 (1): 2012080.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB202012080
摘要：表面电荷转移掺杂是调制石墨烯电学特性的重要手段。发展高效、稳定的表面电荷转移掺杂剂对于提高石墨烯的电学和光电性能、从而推动其在电子和光电领域中的应用具有重要意义。本文围绕高效与稳定两个方面综述了近年来石墨烯表面电荷转移掺杂剂的研究现状以及掺杂石墨烯在光电器件应用方面的进展。根据掺杂剂的类型，着重介绍了最新发展的高效p型和n型掺杂剂，并概述了稳定掺杂方面的重要研究工作。此外，专门介绍了基于掺杂石墨烯透明电极的高性能光电器件。最后，根据表面电荷转移掺杂研究面临的主要挑战，对其未来的发展方向进行了展望。
石墨烯在自供能传感系统中的应用
胡聪, 胡俊斌, 刘梦然, 周玉成, 戎家胜, 周建新
2022, 38 (1): 2012083.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB202012083
摘要：随着现代社会智能化的加速发展，传感系统中传感器的数量、密度和分布范围不断增加，传统的供能方式难以满足如此复杂多变的传感器供能需求，从周围环境中收集能量并转化为电能的自供能传感器件是解决这一难题的有效途径。石墨烯不仅具有优异的传感性能，而且在各种能源器件中有广泛的应用，这为基于石墨烯的自供能传感器件设计提供了便利。近年来，人们已经研究和发展了多种多样的石墨烯自供能传感器件。本文基于自供能器件的基本能量供给原理，包括电化学供能、光伏供能、摩擦电供能、水伏供能以及热电、压电、热释电等其它供能，分别介绍了石墨烯在自供能传感器件中的应用，并展望了基于石墨烯的自供能传感器件的未来发展、挑战和前景。
论 文 | ARTICLE
高结构稳定性、低泄漏率三维铜@石墨烯复合相变材料的制备
李晓明, 高逸丹, 孔庆强, 谢莉婧, 刘卓, 郭晓倩, 刘燕珍, 卫贤贤, 杨晓, 张兴华, 陈成猛
2022, 38 (1): 2012091.
DOI: 10.3866/PKU.WHXB202012091
摘要：由于能源消费需求的持续增长和传统化学燃料的日益枯竭，对可再生能源的需求日益迫切。以地热能、太阳能为代表的可再生能源脱颖而出。然而，这些能源的应用易受到天气、季节、地点和时间的影响，具有不稳定性、随机性、波动性和间歇性。储能技术是解决上述问题的有效途径，它可以在需要的时候储存或释放能量。在各种储能技术可选材料中，相变材料(PCMs)是智能热能管理和便携式热能领域的有力候选者。大多数相变材料都存在导热系数低、环境污染、熔点泄漏等问题，因此有必要将相变材料封装到支撑骨架材料中。事实上，支撑材料在应用中仍面临着一些重大挑战。首先，骨架材料应能抵抗相变材料在相变过程中的体积变化，即具有良好的结构稳定性。其次，还应具有较高的导热系数和较低的泄漏率。石墨烯气凝胶(GA)已被证明是提高相变材料形状稳定性的有效支撑骨架，但相变引起的泄漏和网络结构的脆性是制约其应用的关键问题。在此，我们提出了一种双脉冲电镀的强化策略，用于制备铜@石墨烯气凝胶(Cu@GA)作为相变储能骨架材料。这一结构设计中，石墨烯气凝胶上的石墨烯片层上均匀地镀上了铜层，且不同片之间被铜镀层所连接。这种铜增强石墨烯气凝胶网络结构赋予复合材料良好的导热性和坚固的骨架稳定性，有利于增强相变换热和抑制相变过程中的泄漏。此外，通过真空浸渍法将十八胺(ODA)封装在Cu@GA骨架中，获得了结构稳定性高、泄漏率低的复合相变材料(Cu@GA/ODA)，保证了ODA在Cu@GA骨架材料中的均匀分散和填充。通过比较复合相变材料的重量变化，研究了不同骨架对复合相变材料泄漏率的影响。优化后的复合相变材料(CPCM)Cu@GA/ODA经20次储热、放热循环后，泄漏率降低至19.82% (w，质量分数)，而GA/ODA和GOA/ODA为骨架的复合相变材料的泄漏率分别为80.31% (w)和72.99% (w)。为了探讨这种影响的原因，用扫描电子显微镜(SEM)观察了循环后骨架的形貌。铜/石墨烯气凝胶(Cu@GA)骨架材料没有明显的收缩或坍塌，仍可以保持完整的三维网络结构，而氧化石墨烯气凝胶(GOA)和石墨烯气凝胶(GA)的骨架材料三维结构不复存在，且在氧化石墨烯/石墨烯片能够观察到明显的裂隙。铜涂层可以提高骨架的微观结构稳定性，有利于提高结构稳定性，降低复合材料的泄漏率。同时，该研究为构建理想的金属增强石墨烯气凝胶复合骨架材料铺平了新的道路，该复合材料具有优异的综合性能，可用于未来的相变储能、多孔微波吸收和储能应用。
原文链接：
http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/volumn/volumn_907.shtml
期刊简介
《物理化学学报》1985年创刊。由中国科学技术协会主管、中国化学会和北京大学共同主办、北京大学化学学院物理化学学报编辑部编辑出版。月刊，向国内外公开发行，刊载物理化学领域具有原创性的基础研究和应用研究的成果。每篇文章均被SCI网络版收录。
期刊专栏：https://www.koushare.com/periodical/periodicallist?ptid=11
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1. 北京大学刘忠范院士及香港城市大学张华教授等人综述: 二维材料最新进展 | 物理化学学报2.《物理化学学报》2021年第9期--燃料电池专刊3.《物理化学学报》2021年第8期--二维光催化材料专刊4. 同济大学杜建忠、范震教授团队：降温触发囊泡释放药物 | 物理化学学报5. 全有机S型异质结PDI-Ala/S-C₃N₄光催化剂增强光催化性能 | 物理化学学报版权说明：未经授权严禁任何形式的媒体转载和摘编，并且严禁转载至微信以外的平台！
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