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“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新團隊發展計劃等支持。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，在生物醫學、環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。團隊以層間距可控石墨烯為基質，發展了水環境污染生態修復的疊層材料。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境水平。 三、石墨烯負極材料的鈉離子電池儲能系統應用 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，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。研發的呼吸式血糖儀可滿足確診病友的日常檢查、實現醫院、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。目前已二類醫療器械證書，即將已進入臨床階段。

對于HEMT功率器件來說，p-GaN柵極HEMT器件結構是目前被認為最有希望作為商業化應用的方案。不過，仍然有一些問題亟待解決，如增加閾值電壓、降低柵極漏電流、提高柵極擊穿電壓等。于洪宇課題組2017級南科大-英屬哥倫比亞大學聯培博士生周廣楠介紹，閘極漏電與閘極工作電壓對應用于電源開關的氮化鎵HEMT器件尤為重要，能夠影響電源系統功率損耗與輸出功率。解決此項問題對于p-GaN柵極HEMT器件的商業化應用有重要的意義。

基于石墨烯的 MEMS 壓力傳感器，屬于微機電系統（MEMS）的壓力檢測器件，解決現有 MEMS 壓力傳感器尺寸較大，靈敏度有限的問題。本實用新型包括基底、絕緣層，所述基底表面氧化形成絕緣層，絕緣層內刻蝕出空腔，絕緣層上表面覆蓋石墨烯薄膜，將所述空腔封閉，石墨烯薄膜為 1~5 層；所述石墨烯薄膜邊緣沉積兩個金屬電極，兩個金屬電極上分別焊接有導線。本實用新型采用石墨烯薄膜構成 MEMS 壓阻式壓力傳感器，制備方法簡單，可靠性好，壓力傳感器體積更小，從微米尺度變為納米尺度，靈敏度更高，在 1~5 層內增

本實用新型公開了一種石墨烯微型流量傳感器，屬于 MEMS 器件，用于氣流流量測量，解決現有流量傳感器功耗大、襯底存在熱傳導、響應時間長的問題。本實用新型之石墨烯微型流量傳感器，襯底上具有凹槽，凹槽上架有隔熱層，隔熱層上濺射有加熱體，加熱體的兩端濺射有電極。本實用新型的另一種微型流量傳感器，襯底上具有凹槽，凹槽上架有隔熱層，隔熱層上覆蓋有絕緣層，絕緣層上濺射有加熱體，加熱體的兩端濺射有金屬電極。本實用新型體積小、重量輕而且性能穩定，能有效降低襯底傳熱導致的測量誤差，通過測量通入氣體前后加熱體的電阻差值

本發明公開了一種石墨烯光陰極及其制備方法；該石墨烯光陰極由光陰極底座、襯底層、碘化銫薄膜、金膜組成；該石墨烯光陰極的制備方法具體包括如下步驟：S1：采用化學氣相沉積法在一定厚度的鎳片上生長石墨烯；S2：利用腐蝕液溶解制備石墨烯后的鎳片，留下石墨烯；S3：將石墨烯平鋪至光陰極底座；S4：利用真空蒸鍍法向第 3 步得到的光陰極底座蒸鍍一層碘化銫薄膜；S5：利用磁控濺射法向第 4 步得到的光陰極底座濺射一層金膜制得石墨烯光陰極。由于石墨烯具有優越的導電性、超高的透光率、良好的光電轉換效應以及較強的機械強度

本發明公開了一種石墨烯圖形化摻雜方法，包括如下步驟：（1） 將氦氣與摻雜氣體混合作為工作氣體導入等離子體發生裝置中，施加 高壓脈沖電壓，在工作氣體中放電產生室溫常壓等離子體，將形成的 等離子體由引導管的噴嘴導出，形成微等離子體射流；（2）將噴嘴對 準石墨烯薄膜的指定位置，用微等離子體射流對石墨烯薄膜進行輻照， 將工作氣體的活性原子摻入到被輻照的區域，在二維平面內移動微等 離子體射流或石墨烯薄膜，實現對石墨烯的圖形化摻雜。該方法可有 效地將雜質原子摻入到石墨烯的骨架位置上，且不會對石墨烯的原本 結構產生破壞，摻雜過程簡單易行，設備成本低廉，可實現大規模生 產。

市場背景1：根據中國機械工業聯合會統計，基于石油、化工、電力、冶金、船舶、機械、食品、制藥等行業對換熱器穩定的需求增長，我國換熱器產業在未來一段時期內將保持穩定增長。預計 2010 年至 2020 年期間，我國換熱器產業將保持年均 10-15%左右的增長速度，2015 年，我國換熱器產業規模已突破 880 億元，到 2020 年我國換熱器產業規模有望達到1500億元。 市場背景2：2016年國務院印發《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》，“突破石墨烯產業化應用技術”被寫入規劃。2017年1月《新材料產業發展指南》正式公布，石墨烯成為新材料產業發展的先導性產業。據前瞻研究院數據顯示，2017年我國防腐涂料（常規防腐涂料和重防腐涂料）全年產量達到561萬噸，占涂料總產量的27%左右。2013年以來，涂料產量年均增長率在5.5%左右，而我國防腐涂料達到12%左右，是增長最快的涂料品種之一；2018年防腐涂料總產量或達到600萬噸以上，2020年總產量可突破700萬噸。

項目成果/簡介:市場背景1：根據中國機械工業聯合會統計，基于石油、化工、電力、冶金、船舶、機械、食品、制藥等行業對換熱器穩定的需求增長，我國換熱器產業在未來一段時期內將保持穩定增長。預計 2010 年至 2020 年期間，我國換熱器產業將保持年均 10-15%左右的增長速度，2015 年，我國換熱器產業規模已突破 880 億元，到 2020 年我國換熱器產業規模有望達到1500億元。 市場背景2：2016年國務院印發《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》，“突破石墨烯產業化應用技術”被寫入規劃。2017年1月《新材料產業發展指南》正式公布，石墨烯成為新材料產業發展的先導性產業。據前瞻研究院數據顯示，2017年我國防腐涂料（常規防腐涂料和重防腐涂料）全年產量達到561萬噸，占涂料總產量的27%左右。2013年以來，涂料產量年均增長率在5.5%左右，而我國防腐涂料達到12%左右，是增長最快的涂料品種之一；2018年防腐涂料總產量或達到600萬噸以上，2020年總產量可突破700萬噸。應用范圍:目前國內外水蒸氣空氣預熱器基本都是翅片管式，節能效果有待提高； 目前國內外成熟的蒸發式冷凝器基本都是管狀或橢圓狀，緊湊度不高，單位面積熱負荷有待提高，特別針對化工產品如甲醇汽冷凝，要求系統壓降低和尾氣回收等指標，難以達到； 目前國內外煙氣空氣預熱器基本采用管式，或回轉式，管式占地面積達，換熱系數不高，回轉式漏風嚴重并且維修成本較高； 目前國內外解決金屬表面腐蝕問題，基本采用搪瓷涂層，但搪瓷涂層導熱系數低，不到1 W/（m·k）左右，而且搪瓷由于應力及金屬與搪瓷線膨脹系數不一致，易導致崩瓷現象。項目階段:批量生產效益分析:1）新型板式水蒸氣空氣預熱器。與翅片管相比，節約水蒸汽15-30%，該項目目前屬產業化階段； 2）新型中間排液板式蒸發式冷凝器。與普通蒸發式冷凝器相比，節電節水30%，系統壓降降低約0.1MPa，該項目目前屬產業化階段； 3）新型板式空氣預熱器。燃煤、燃氣及燃油鍋爐空預器，節能減排效果明顯，該項目目前屬產業化階段； 4）耐腐蝕耐磨超導熱疏水性石墨烯復合涂層。解決各領域換熱設備表面的腐蝕問題，導熱問題及結垢問題，節能減排效果明顯。該項目目前屬產業化階段。

本發明公開了一種離子增強石墨烯纖維及其制備方法，石墨經過氧化得到氧化石墨烯，將氧化石墨烯分散于水或極性有機溶劑中，制成質量濃度為1-20%的紡絲液溶膠，將紡絲液從紡絲頭毛細管中連續勻速擠出，進入含有配位離子的凝固液，凝固后的初級纖維用聚四氟乙烯滾軸收集，干燥后得到離子增強的氧化石墨烯纖維，經化學還原，得到離子增強的石墨烯纖維。紡絲工藝簡單，室溫操作，不用強腐蝕性試劑，過程綠色環保，所得離子增強石墨烯纖維力學性能優異，有較好的韌性，可編織成石墨烯纖維布，也可與其它纖維混編成各種具有廣泛用途的織物。

信息技術快速發展使得芯片功耗顯著增大，熱量管理因而成為其中至關重要的核心環節。熱量的快速導出對于芯片正常運行是決定性的。具有高導熱能力的散熱薄膜是這方面的關鍵材料，發展高性能、低成本散熱薄膜材料已經成為關系未來消費電子、信息技術乃至人工智能等許多領域的關鍵。現有的散熱薄膜主要采用的是聚酰亞胺薄膜經過高溫碳化、石墨化后形成的人造石墨膜，其原材料聚酰亞胺的制備技術掌握在杜邦公司手中，成本昂貴，國內散熱膜加工企業的利潤率不斷受到擠壓。