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科学通报 2025年

作者：邵家新葛昀宋贾开诚刘忠范北京大学前沿交叉学科研究院北京石墨烯研究院北京大学化学与分子工程学院北京大学纳米化学研究中心北京分子科学国家研究中心

高质量石墨烯单晶晶圆的可控生长一直是石墨烯制备领域的发展前沿,被视为实现石墨烯高性能电子与光电子器件应用的关键支撑材料.化学气相沉积技术由于具有制备石墨烯薄膜质量高、可控性好、可放量等优点,逐渐成为石墨烯单晶晶圆材料的... 详细信息

高质量石墨烯单晶晶圆的可控生长一直是石墨烯制备领域的发展前沿,被视为实现石墨烯高性能电子与光电子器件应用的关键支撑材料.化学气相沉积技术由于具有制备石墨烯薄膜质量高、可控性好、可放量等优点,逐渐成为石墨烯单晶晶圆材料的主流制备方法.为了保证石墨烯晶圆的单晶性,单晶催化剂衬底的设计与石墨烯外延生长过程的调控至关重要.本文系统回顾了近几年来金属、半导体以及绝缘衬底上石墨烯单晶晶圆制备的研究进展,重点探讨在不同类型的单晶衬底表面,石墨烯晶畴取向的控制策略与内在机制,并介绍了石墨烯晶圆材料在规模化制备方面的最新成果,最后对石墨烯单晶晶圆制备领域未来的发展方向进行了总结和展望.

关键词：石墨烯单晶晶圆化学气相沉积外延生长规模化制备

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石墨烯的光化学修饰方法

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化学学报 2014年第3期72卷 289-300页

作者：周琳张黎明廖磊杨明媚谢芹彭海琳刘志荣刘忠范北京大学纳米化学研究中心北京大学化学与分子工程学院

石墨烯是由sp2杂化碳原子组成的具有蜂窝状结构的二维原子晶体.石墨烯的共价化学修饰是石墨烯研究领域的一个新的热点,也是石墨烯材料的表面改性和能带调控、以及合成新型二维石墨烯衍生物的重要途径.完整的二维蜂窝结构和离域大π键使... 详细信息

石墨烯是由sp2杂化碳原子组成的具有蜂窝状结构的二维原子晶体.石墨烯的共价化学修饰是石墨烯研究领域的一个新的热点,也是石墨烯材料的表面改性和能带调控、以及合成新型二维石墨烯衍生物的重要途径.完整的二维蜂窝结构和离域大π键使得石墨烯的化学性质非常稳定,难以通过常规的化学反应获得高效的表面修饰,这是石墨烯共价化学的主要挑战.近年来,我们发展了一系列基于光化学原理的石墨烯共价修饰方法,利用光化学过程产生的活性自由基实现了石墨烯的高效共价加成和氧化反应,为石墨烯的光化学能带工程奠定了理论和实验基础.本文将以这些研究成果为主线,系统地阐述石墨烯的光化学修饰方法及其二维反应特性,并对该领域的未来发展趋势和所面临的挑战进行简要的展望.

关键词：石墨烯光化学自由基光氯化光催化非对称修饰

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酞菁铅在石墨烯表面吸附行为的拉曼光谱研究

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物理化学学报 2012年第10期28卷 2355-2362页

作者：凌曦张锦北京大学化学与分子工程学院北京大学纳米化学研究中心北京100871

利用石墨烯增强拉曼散射效应可以获得与石墨烯接触的某些分子的拉曼增强信号,并且对于不同的分子或振动模,其拉曼增强因子不同.根据这一特征,本工作利用拉曼光谱技术对石墨烯表面上酞菁铅(PbPc)分子Langmuir-Blodgett(LB)膜在退火过程... 详细信息

利用石墨烯增强拉曼散射效应可以获得与石墨烯接触的某些分子的拉曼增强信号,并且对于不同的分子或振动模,其拉曼增强因子不同.根据这一特征,本工作利用拉曼光谱技术对石墨烯表面上酞菁铅(PbPc)分子Langmuir-Blodgett(LB)膜在退火过程中吸附构型的变化进行了跟踪研究.发现随着退火温度的升高,石墨烯表面上PbPc分子的拉曼信号经历了一个先增强后减弱的过程,在升华温度点附近强度达到最大,表明PbPc发生了由直立向平躺取向的转变;同时,在PbPc分子升华温度点附近,由于对称性破坏导致散射截面低的振动模出现,并且该振动模强度随着退火温度的进一步升高而增强,表明非平面的PbPc分子受石墨烯π-π相互作用的影响而形变加剧,向平面结构转变;在更高的退火温度下,则出现一些不属于PbPc分子的拉曼振动峰,表明PbPc分子在石墨烯表面由Pb(II)被还原成Pb(0).

关键词：石墨烯酞菁铅石墨烯增强拉曼散射分子形变

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石墨炔负载金属原子催化剂研究进展

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科学通报 2019年第35期64卷 3649-3664页

作者：李加强张锦北京大学化学与分子工程学院纳米化学研究中心

金属原子催化剂实现了原子百分之百利用率,具有高选择性和高活性等特点.但由于单个原子表面能大,容易团聚成纳米颗粒,稳定金属原子催化剂的制备对基底提出了较高的要求.石墨炔的特殊结构使其成为一种潜在的金属原子催化剂载体.石墨炔是... 详细信息

金属原子催化剂实现了原子百分之百利用率,具有高选择性和高活性等特点.但由于单个原子表面能大,容易团聚成纳米颗粒,稳定金属原子催化剂的制备对基底提出了较高的要求.石墨炔的特殊结构使其成为一种潜在的金属原子催化剂载体.石墨炔是一种由sp^2和sp杂化碳原子共同组成的新型碳的同素异形体.由于碳碳三键具有线性、无顺反异构和高共轭性等优点,使得石墨炔具有类似石墨烯的二维平面结构,同时具有高导电性、高比表面积、结构稳定等优异性质.石墨炔结构中的sp杂化碳原子能与金属原子形成强的共价键,从而使金属单原子能稳定存在石墨炔结构中;因此石墨炔是一种理想的金属原子催化剂载体.本文从石墨炔负载金属原子催化剂的结构出发,论述了石墨炔负载金属原子催化剂的研究进展,包括石墨炔负载金属原子催化剂的结构、制备方法、表征手段,重点论述了石墨炔负载金属原子催化剂在电化学催化领域的理论和实验进展.实验证明石墨炔负载的贵金属(Pt和Pd)原子催化剂以及过渡金属原子(Ni和Fe)催化剂都具有优异的电化学催化活性和循环使用性能.

关键词：石墨炔金属原子催化剂载体电化学催化

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石墨烯纤维材料的化学气相沉积生长方法

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物理化学学报 2022年第2期38卷 34-48页

作者：程熠王坤亓月刘忠范北京大学纳米化学研究中心北京分子科学国家研究中心北京大学化学与分子工程学院北京100871 北京石墨烯研究院北京100095

石墨烯纤维材料是以石墨烯为主要结构基元沿某一特定方向组装而成或由石墨烯包覆纤维状基元形成的宏观一维材料。根据组成基元的不同可将石墨烯纤维材料分为石墨烯纤维和石墨烯包覆复合纤维。石墨烯纤维材料在一维方向上充分发挥了石墨... 详细信息

石墨烯纤维材料是以石墨烯为主要结构基元沿某一特定方向组装而成或由石墨烯包覆纤维状基元形成的宏观一维材料。根据组成基元的不同可将石墨烯纤维材料分为石墨烯纤维和石墨烯包覆复合纤维。石墨烯纤维材料在一维方向上充分发挥了石墨烯高强度、高导电、高导热等特点,在智能纤维与织物、柔性储能器件、便携式电子器件等领域具有广阔的应用前景。随着化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)制备石墨烯薄膜技术的发展,CVD技术也逐渐应用于石墨烯纤维材料的制备。利用CVD法制备石墨烯纤维可避免传统纺丝工艺中繁琐的氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)还原过程。同时,通过CVD法直接将石墨烯沉积至纤维表面可以保证石墨烯与纤维基底之间强的粘附作用,提高复合纤维的稳定性,同时可实现对石墨烯质量的有效调控。本文综述了石墨烯纤维材料的CVD制备方法,石墨烯纤维材料优异的力学、电学、光学性质及其在智能传感、光电器件、柔性电极等领域的应用,并展望了CVD法制备石墨烯纤维材料未来的发展方向。

关键词：化学气相沉积石墨烯纤维石墨烯玻璃纤维石墨烯金属纤维

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石墨烯玻璃：玻璃表面上石墨烯的直接生长

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物理化学学报 2016年第1期32卷 14-27页

作者：陈旭东陈召龙孙靖宇张艳锋刘忠范北京大学化学与分子工程学院北京大学纳米化学研究中心北京100871 北京大学工学院北京100871

玻璃是一种历史悠久、用途广泛的无定形硅酸盐材料,而石墨烯则是近年来发现的仅由碳原子组成的二维层状材料。石墨烯具有超高的机械强度、导电性、导热性和透明性,恰好与传统的玻璃形成互补。将石墨烯与玻璃结合在一起,在保持透明性的... 详细信息

玻璃是一种历史悠久、用途广泛的无定形硅酸盐材料,而石墨烯则是近年来发现的仅由碳原子组成的二维层状材料。石墨烯具有超高的机械强度、导电性、导热性和透明性,恰好与传统的玻璃形成互补。将石墨烯与玻璃结合在一起,在保持透明性的基础上,同时赋予普通玻璃导电性、导热性和表面疏水性,具有非常重要的实际意义和理论价值。相比于液相涂膜或者转移的方法,直接在玻璃表面生长石墨烯能够从根本上避免由于污染和破损引起的石墨烯性能的下降,从而发展出一种新型材料——石墨烯玻璃。本文介绍了我们研究组在各种玻璃表面直接生长石墨烯的研究进展,其中包括石墨烯在固态耐高温玻璃和熔融态玻璃表面的高温生长,以及利用等离子体辅助手段实现石墨烯在普通玻璃表面的低温生长,并以此为基础发展出多种基于石墨烯玻璃的应用实例。总结展望了石墨烯玻璃的制备和应用的未来挑战与发展方向。

关键词：石墨烯固态玻璃熔融态玻璃化学气相沉积等离子体辅助

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在1T′-二硫化钼上生长单原子分散的铂实现高效电催化产氢

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科学通报 2023年第35期68卷 4743-4745页

作者：刘忠范北京石墨烯研究院北京100095 北京大学化学与分子工程学院北京大学纳米化学研究中心北京分子科学国家研究中心北京100871

随着全球环境和能源危机的不断加剧,开发能够取代传统化石燃料的高效、清洁、可再生的新型能源成为21世纪人类社会的重要发展方向.氢气是一种绿色清洁的新型能源载体,氢能的发展是构建清洁低碳的新型能源体系和实现能源安全与可持续发... 详细信息

随着全球环境和能源危机的不断加剧,开发能够取代传统化石燃料的高效、清洁、可再生的新型能源成为21世纪人类社会的重要发展方向.氢气是一种绿色清洁的新型能源载体,氢能的发展是构建清洁低碳的新型能源体系和实现能源安全与可持续发展的重要途径,有助于国家实现碳达峰、碳中和的目标.电解水包括阴极析氢和阳极析氧两个半反应,通过电化学过程将水分解为氢气与氧气,是未来制备绿氢的重要技术手段[1].催化剂是影响电解水制氢效率的重要因素,合理设计并合成合适的载体是开发高效、稳定的电解水制氢催化剂的关键[2].

关键词：电解水制氢电化学过程能源载体化石燃料能源安全碳中和二硫化钼新型能源

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合成气催化转化的绿色化学

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催化学报 2008年第9期29卷 817-822页

作者：寇元北京大学化学与分子工程学院北京大学绿色化学研究中心北京分子科学国家实验室北京100871

将Ru催化剂加工到2．4nm就可以使费托合成的反应温度降低100℃而活性却达到传统Ru催化剂（200℃）的2～5倍．这一成果迅速被国内能源公司买断，显示了原创的绿色能源技术在中国生机无限．本文围绕甲醇、乙醇合成和铁基催化剂上的费托合... 详细信息

将Ru催化剂加工到2．4nm就可以使费托合成的反应温度降低100℃而活性却达到传统Ru催化剂（200℃）的2～5倍．这一成果迅速被国内能源公司买断，显示了原创的绿色能源技术在中国生机无限．本文围绕甲醇、乙醇合成和铁基催化剂上的费托合成等讨论了发展液相低温的合成气转化新化学．

关键词：能源化学绿色化学纳米粒子催化剂两相化均相化

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石墨烯-六方氮化硼面内异质结构的扫描隧道显微学研究

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物理学报 2015年第7期64卷 60-70页

作者：刘梦溪张艳锋刘忠范北京大学化学与分子工程学院北京大学纳米化学研究中心北京100871 北京大学工学院材料科学与工程系北京100871

石墨烯-六方氮化硼面内异质结构因可调控石墨烯的能带结构而受到广泛关注.本文介绍了在超高真空体系内,利用两步生长法在两类对石墨烯分别有强和弱电子掺杂的基底,即Rh(111)和Ir(111)上制备石墨烯-六方氮化硼单原子层异质结构.通过扫描... 详细信息

石墨烯-六方氮化硼面内异质结构因可调控石墨烯的能带结构而受到广泛关注.本文介绍了在超高真空体系内,利用两步生长法在两类对石墨烯分别有强和弱电子掺杂的基底,即Rh(111)和Ir(111)上制备石墨烯-六方氮化硼单原子层异质结构.通过扫描隧道显微镜及扫描隧道谱对这两种材料的形貌和电子结构进行研究发现:石墨烯和六方氮化硼倾向于拼接生长形成单层的异质结构,而非形成各自分立的畴区;在拼接边界处,石墨烯和六方氮化硼原子结构连续无缺陷;拼接边界多为锯齿形型,该实验结果与密度泛函理论计算结果相符合;拼接界面处的石墨烯和六方氮化硼分别具有各自本征的电子结构,六方氮化硼对石墨烯未产生电子掺杂效应.

关键词：石墨烯六方氮化硼面内异质结构扫描隧道显微镜

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石墨双炔的合成方法

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物理化学学报 2018年第9期34卷 977-991页

作者：周劲媛张锦刘忠范北京大学纳米化学研究中心北京大学化学与分子工程学院北京大学前沿交叉学科研究院

石墨炔是一种新型碳的同素异形体,是由sp和sp~2两种杂化形式的碳原子组成的二维层状材料。其中,石墨双炔是石墨炔家族中重要的一员,其独特的纳米级孔隙、二维层状共轭骨架结构及半导体性质等特性,使之在电化学、光催化、非线性光学、电... 详细信息

石墨炔是一种新型碳的同素异形体,是由sp和sp~2两种杂化形式的碳原子组成的二维层状材料。其中,石墨双炔是石墨炔家族中重要的一员,其独特的纳米级孔隙、二维层状共轭骨架结构及半导体性质等特性,使之在电化学、光催化、非线性光学、电子学等诸多领域优势显著,因此,发展石墨双炔的制备方法有着重要的意义。本文将首先介绍石墨双炔的结构,随后主要介绍石墨双炔合成方法的研究进展,包括有机全合成、表面在位化学反应和溶液相聚合反应等几个方面,其中溶液相聚合的方法取得了较为突出的进展。在本文的最后,主要探讨了石墨双炔合成方法中的挑战与机遇,并对合成方法的未来进行了展望。

关键词：石墨双炔全合成表面在位化学溶液聚合形貌控制

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