安徽工业大学PNAS：宏量制备石墨烯纳米带及其功能质料 – 质料牛

克日，安徽安徽工业大学化学与化工学院多相催化团队与南京大学及新加坡国立大学相助，工业功开拓出了一种宏量制备石墨烯纳米带且高效实现其层间功能化的大学策略。相关下场以“Rapid Production of Kilogram-Scale Graphene Nanoribbons with Tunable Interlayer Spacing for an Array of Renewable Energy”为题宣告在《美国国家迷信院院刊》上，宏量论文的制备质料质料配合通讯作者是我校化学与化工学院的闫岩教授、刘明凯教授，石墨以及南京大学金钟教授以及新加坡国立大学的烯纳林志群教授。安徽工业大学为论文的米带第一实现单元。

《美国国家迷信院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，安徽个别简称为PNAS)是工业功美国国家迷信院的民间迷信周刊杂志，创刊于1915年，大学收录的宏量文献拆穿困绕生物学、物理学、制备质料质料化学、石墨质料学、烯纳数学以及社会迷信等规模。《美国国家迷信院院刊》是天下上根基迷信规模最负盛名的学术杂志之一。

石墨烯纳米带是一种以带状形态存在的石墨烯质料，具备高电导率、高热导率、低噪声等特色。这些优异品质使患上石墨烯纳米带成为集成电路互连质料的一种事实抉择，用以替换传统金属质料。同时，由于其具备配合的宽度依赖带隙以及双侧短缺的孤对于电子，石墨烯纳米带在高功能电子器件以及纳米催化规模也患上到了科研使命者的亲密关注。可是，尽管已经有报道多种制备石墨烯纳米带的措施，搜罗小份子有机分解、聚合物包埋切割、碳纳米径向切割、特定基体上外在妨碍等，但清洁石墨烯纳米带的宏量制备依然面临重大挑战。此外，若何扩展石墨烯纳米带的层间距并使其功能化也是石墨烯纳米带钻研亟需处置的下场。

我校化学与化工学院多相催化团队提出了一种“冷冻-卷曲-缩短”的策略，经由将大片层（平均宽度~20微米）的氧化石墨烯与二氧化硅溶胶超声混合，并在高温低压下妨碍脱水单调以及化学刻蚀，制备出了高纯度、高径向比的石墨烯纳米带质料（图1）。这种策略接管自上而下的方式，以单层的氧化石墨烯为质料，经由修正其拓扑妄想，实现为了高纯度石墨烯纳米带的宏量制备。该策略比小份子分解、径向剪切碳纳米管等措施更直接、更简洁，患上到的石墨烯纳米带的纯度也更高。

【图文导读】

图1 石墨烯纳米带制备历程展现图

场发射扫描电镜照片证明了这种石墨烯纳米带具备典型的准一维妄想。如图2所示，这种质料具备高的长径比，概况是类石墨烯层状褶皱妄想，其丰硕的边缘妄想为石墨烯纳米带的功能化提供了可供调控的空间。透射电镜图片证实这种质料具备薄层妄想以及透明性。拉曼数据中，碳质料特色峰D峰以及G峰比例的飞腾，证实从氧化石墨烯到石墨烯纳米带，部份共轭妄想患上到了实用修复，这种石墨烯纳米带也展现出高达72900 S/m的电子传导速率。

除了宏量制备，若何操作层与层之间的距离，是制备高功能石墨烯纳米带功能质料的另一项严正挑战。多相催化团队在“冷冻-卷曲-缩短”策略中，经由修正二氧化硅的尺寸以及运用量，调控界面“π-π”相互熏染以及石墨烯纳米带的层间距，实现为了在3.63-9.04 Å规模内层间距离的逍遥调节。

图2 石墨烯纳米带宏量制备、妄想表征与功能测试

此外，经由在层间妨碍客体份子/纳米质料修饰，可能实现对于石墨烯纳米带质料的功能化妄想，从而清晰拓展石墨烯纳米带的运用规模。钻研职员借助“冷冻-卷曲-缩短”的策略，将杂原子先驱体（六福磷酸铵）、单原子先驱体（乙酰丙酮钴）与石墨烯/二氧化硅妨碍混合，或者以球形二硫化钼（零维），聚苯胺纤维（一维）或者二硫化硒纳米片（二维）替换二氧化硅，并经由高温处置或者化学处置，分说可能患上到了氮/磷/氟共异化的石墨烯纳米带、钴单原子修饰的石墨烯纳米带、层间修饰二硫化钼的石墨烯纳米带、层间负载聚苯胺的石墨烯纳米带以及层间修饰二硫化硒的石墨烯纳米带质料，实现为了对于石墨烯纳米带质料的功能化妄想。如图3所示。

图3 差距尺度客体份子/纳米质料在石墨烯纳米带层间对于其修饰并完乐成用化妄想

这些新型的石墨烯纳米带基功能质料在新能源器件中展现出优异的储能以及催化功能。好比，氮/磷/氟共异化的石墨烯纳米带质料作为非金属催化剂，在电催化氧复原反映中展现出挨近商业化铂碳的催化活性。钴单原子修饰的石墨烯纳米带质料在电催化产氢反映中的塔菲尔斜率仅为48 mV/dec，揭示出与商业化铂碳（44 mV/dec）挨近的反映能源学。石墨烯纳米带包裹二硫化钼患上到的复合质料，在电化学储锂方面展现出精采的活性。在0.1 A/g电流密度下揭示出1210 mAh/g的比容量。同时揭示出精采的循环晃动性，经由500次循环，容量仅衰减18.7%。石墨烯纳米带包裹聚苯胺纤维患上到的复合质料，在超级电容器规模展现出精采的比容量（734 F/g）以及倍率功能。石墨烯纳米带包裹二硫化硒患上到的复合带状质料，作为钠离子电池正极质料，展现出486 mAh/g的电化学储钠功能。这些功能质料的开拓，清晰提升了石墨烯纳米带及其功能质料的运用途景（图4）。

图4石墨烯纳米带基功能质料在新能源规模中的运用，搜罗电化学产氢、锂/钠离子电池等规模

总结：多相催化团队经由妄想“冷冻-卷曲-缩短”的策略，短缺揭示了若何经由界面工程宏量制备石墨烯纳米带质料，并经由修正反对于质料二氧化硅的尺寸以及用量，实现为了对于石墨烯纳米带层间距的实用调节。进一阵势，经由在石墨烯纳米带的层间引入功能化非金属原子、金属单原子、差距维度纳米质料，实现为了对于石墨烯纳米带的功能化妄想，并在一系列新能源器件中患上到了运用拓展。

论文信息：Fan Liu, Yi Hu, Zehua Qu, Xin Ma, Zaifeng Li, Rui Zhu, Yan Yan*, Bihan Wen, Qianwen Ma, Minjie Liu, Shuang Zhao, Zhanxi Fan, Jie Zeng, Mingkai Liu*, Zhong Jin* and Zhiqun Lin*, Rapid Production of Kilogram-Scale Graphene Nanoribbons with Tunable Interlayer Spacing for an Array of Renewable Energy, PNAS, 2023

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2303262120