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石墨烯微結構調控及其表界面效應研究

“石墨烯微結構的精準調控及其應用”首次實現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)的問題，團隊在分子水平上首次使用分子融合法實現(xiàn)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(xiàn)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(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(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?shù)厮|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(jīng)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(jīng)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(jīng)過中試線生產(chǎn)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(chǎn)線及相關配套設施，研發(fā)生產(chǎn)低成本、高安全、長壽命鈉離子電池關鍵材料，實現(xiàn)高性能鈉離子電池產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化，預計至2026年項目達產(chǎn)后，年產(chǎn)值達約22.5億元；年畝均產(chǎn)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(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)皮秒級載流子空穴的形成，從而實現(xiàn)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(xiàn)醫(yī)院、公共場所快速篩查、手機APP記錄管理以及網(wǎng)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(chǎn)品。目前已二類醫(yī)療器械證書，即將已進入臨床階段。

上海大學 2022-08-16

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