摘要： 最近，天津大学教授马雷联合美国佐治亚理工学院Walter de Heer团队，首次制成了可扩展的半导体石墨烯，这可能为制造比现在的硅芯片速度更快、效率更高的新型计算机铺平了道路。研究人员通过在石墨烯中引入带隙，展示了一种可以控制电流开关的晶体管。由于该技术与制造硅芯片的技术相同，

关键词： 锂离子电池   钠离子电池   双负极材料   硒酸铁   氧化石墨烯  

摘要： 在探索绿色能源的广阔天地中,人类正处在一个关键的十字路口,急需从石油、煤炭和天然不可再生资源的依赖中解脱出来。这些传统能源的燃烧不仅释放了碳的枷锁,也引发了环境恶化的蝴蝶效应,催生出气候变化和全球变暖的紧迫挑战。因此,为了可持续性的追求,我们必须拥抱太阳能、风能等源源不断的可再生能源,这无疑需要对储能设备进行革命性的创新。在这一背景下,可充电电池,这种能够将电能以化学能形式储存起来,再在使用时转化为电能,已成为能量转换的重要媒介。在众多可充电电池的璀璨星座中,锂离子和钠离子电池（LIBs和SIBs）犹如两颗最耀眼的星,以其卓越的潜力俘获了科学家的心。而我们的研究——构建一种新型的铁硒化物-石墨烯复合电极,并深入剖析其锂/钠存储特性——正是为了应对这一需求。铁硒化物,凭借其令人瞩目的高理论容量和倍率性能,成为了作为双负极材料的黄金选择。为了进一步优化铁硒化物的电化学性能,本文展开以下内容的研究: （1）以高活性氧化石墨烯粉末和二茂铁作为原料,通过微波处理,一步硒化的方法制备LIBs/SIBs双负极材料--Fe2（Se2O5）3/r GO复合材料,通过探究不同硒化温度和二茂铁的加入量,最终在硒化温度为450℃二茂铁与氧化石墨烯粉末比例1:1的条件下得到具有最优电化学性能的Fe2（Se2O5）3/r GO复合材料。经过500次循环后具有834.9 m Ah/g的高储锂容量（0.5 A/g）,在10 A/g的大电流密度下具有230.1 m Ah/g的可逆储锂容量,显示出优秀的倍率性能。同时该材料在钠离子电池中也具有良好的表现,在0.5 A/g的电流密度下,经过188次循环后具有443.7 m Ah/g的高储钠容量,在10 A/g的电流密度下具有216.7 m Ah/g的可逆储钠容量。 （2）将氧化石墨烯溶液涂布干燥成膜,以二茂铁作为原料通过高温气相热解沉积和硒化处理,制备得到Fe2（Se2O5）3/r GO复合材料柔性自支撑负极(f-Fe2（Se2O5）3/r GO)。分别探究了硒化温度和二茂铁加入量对其的影响,确定硒化温度550℃,氧化石墨烯薄膜与二茂铁比例1:3为最优制备条件,合成得到具有良好电化学性能的LIBs/SIBs双负极材料-f-Fe2（Se2O5）3/r GO。在0.5 A/g的电流密度下循环500次后,具有371.9 m Ah/g的可逆储锂容量,在5 A/g的大电流密度下具有87.5 m Ah/g的可逆储锂容量,显示出优秀的倍率性能。同时在钠离子电池中,循环500圈后拥有209.8m Ah/g的高可逆比容量（0.5 A/g）,容量保持率为97.8%。并且在5.0 A/g时显示了较高的容量130.5 mAh/g,有着优异的循环稳定性和良好的倍率性能。

关键词： 丝网印刷   柔性传感器   温敏性   弯曲性   COMSOL  

摘要： 柔性传感器的应用领域非常广泛,涵盖了健康监测、智能穿戴、医疗诊断等众多领域,为创造更加灵活、智能的产品提供了重要的技术支持。近年来,随着印刷电子技术的兴起,印刷柔性传感器受到了广泛的关注。印刷电子技术是一种可以直接在多种柔性基底材料上印刷电子功能性油墨的新兴技术,与传统的制备技术相比,其制造成本低,能够实现快速大批量的生产,同时所制备的印刷电子产品轻薄,能够适应各种形状要求。本文以炭黑、石墨烯为导电填料,聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基体,采用印刷电子技术在纸基上实现高性能柔性传感器的制备,并探究其在温度监测及防窃启方面的应用,对印刷柔性传感器在智能包装领域的发展具有积极的推动作用。主要的研究内容和结果如下: （1）通过接触角测量仪对导电功能油墨在纸基底的润湿性进了表征分析,结果表明所配制的功能油墨在纸基底上的接触角均小于90°。利用扫描电子显微镜观察了不同炭黑/石墨烯质量比印刷制备的柔性传感器的表面微观形貌,没有发现明显的团聚物,炭黑与石墨烯在PDMS基体材料中分散均匀。 （2）研究分析了炭黑/石墨烯/PDMS柔性传感器的温敏性和应变弯曲性能。实验结果表明,不同质量比的炭黑和石墨烯功能油墨制备的柔性传感器表现出不同的温敏性和应变弯曲性能。其中,炭黑和石墨烯质量比为1:2时所制备的传感器具有较高的温度敏感性,灵敏度为1.258%℃-1,同时,具有较好的线性度（R2=0.991）和较小的迟滞性（2.37%）,响应时间较长约有40s,在25℃-45℃温度范围内还具有良好的重复稳定性。炭黑和石墨烯质量比为2:1时所制备的传感器具有较高的应变弯曲性能,良好的线性度（R2=0.9851）,较好的响应时间（1s）和恢复时间（2s）,与0-90°重复弯曲相比,0-20°重复弯曲时具有较好的重复性。 （3）使用Digimat软件对炭黑/石墨烯/PDMS导电复合材料的特性进行仿真模拟。使用COMSOL软件仿真模拟传感器功能层的应变弯曲特性和温敏性。仿真结果验证了不同炭黑与石墨烯的质量比具有不同的应变弯曲性和温敏性,炭黑与石墨烯质量比为2:1时弯曲特性较好,炭黑与石墨烯质量比为1:2时制备的传感器有较高的温度敏感性。

关键词： 碳纤维   石墨烯   三维结构   界面性能   电磁屏蔽  

摘要： 碳纤维(CF)的优良性能,如高比强度、高比刚度、低热膨胀、高模量和高耐磨性、耐腐蚀和承受能力使碳纤维复合材料在许多应用领域表现出巨大的潜力。但是由于CF本身的结构和制备工艺的特殊性,使CF表面光滑且缺少活性基团,从而呈现化学惰性,导致碳纤维增强复合材料(CFRP)的界面结合力弱。因此,优化并设计其界面结构是提升复合材料界面性能的重要方法。本文以改善复合材料界面性能为目的,通过对界面层进行宏观结构设计以及微观结构调控,来提升复合材料力学性能,同时研究该结构对复合材料电磁屏蔽性能的影响。本论文研究内容如下: (1)受到护坡草坪的启发,在CF表面构建了多层次三维立体结构(GO/ZnO/DSPE),以提高CF/EP复合材料的力学性能和电磁屏蔽性能。利用氧化石墨烯(GO)把氧化锌纳米花(ZnO NFs)结构植根于CF上,构建了具有二维石墨烯/三维无机纳米材料的新界面结构。通过FT-IR、XPS、Raman和动态接触角等分析结果证明了GO/ZnO/DSPE成功在CF表面构建。通过三点弯曲与层间剪切(ILSS)等分析结果证明,改性后的碳纤维复合材料的弯曲强度(945.3MPa)、弯曲模量(75.5 GPa)和ILSS(92.9 MPa),与原始碳纤维复合材料相比分别增加了71.8%、90.2%和93.5%。更重要的是,GO/ZnO/DSPE立体结构增加了碳纤维布上的导电通路,从而提升复合材料的导电性。此外,电磁干扰测试(EMI)证实了改性后的碳纤维复合材料具有强的电磁波吸收作用,CF/EP的屏蔽效能(SE)值为25.93 dB,CFN-GO/ZnO/DSPE/EP的SE值为42.89 dB。综上结果表明,三维立体结构GO/ZnO/DSPE结构增加了电磁波在复合材料内部的反射与吸收利于提升复合材料的电磁屏蔽性能。 (2)为进一步的提升复合材料的界面性能以及电磁屏蔽性能,在CF表面构建三维还原氧化石墨烯骨架结构(rGO/PDA/TSP)。通过三维还原氧化石墨烯(rGO)提高CF与环氧树脂接触面积,同时增加CF表面官能团。通过FT-IR、XPS、Raman和动态接触角等分析结果证明了rGO/PDA/TSP成功在CF表面构建。通过三点弯曲与ILSS等分析结果证明,改性后的碳纤维复合材料的弯曲强度(1156.23 MPa)、弯曲模量(95.6 GPa)和层间剪切强度(87.8 MPa),与原始复合材料相比分别增加了150.8%、73.57%和143.2%。此外,rGO/PDA/TSP的立体结构增加碳纤维布的接触面积从而增加了碳纤维布上的导电通路,进而提升了复合材料的导电性。由EMI证实了改性后的碳纤维复合材料具有强的电磁波吸收作用,CF/EP的SE值为17.72 dB,CF-PrGO/EP的SE值为最高值36.45 dB,而CF-TPrGO/EP的SE值为30.95 dB。综上结果表明,三维立体结构rGO/PDA有利于提高其材料内部的导电损耗与多重反射和吸收,从而提升复合材料的电磁屏蔽性能。

关键词： 石墨烯   锂金属负极   SEI层   三维结构   界面调控  

摘要： 随着电动汽车和可再生清洁能源电站的爆发式发展,目前的锂离子电池已经无法满足高续航和长寿命的要求。因其低的还原电位和较高的理论比容量等特性,锂金属可以视为当前锂离子电池的最终替代品。然而锂金属的负极过分依赖于电化学沉积/剥离行为,不可避免的造成锂枝晶的形成。另一角度金属锂的高活性会与电解质自发反应,从而形成不可预测且复杂的固态电解质界面（SEI）,这种情况反过来对锂的不均匀沉积产生影响,降低库伦效率和循环寿命。因此本文从调控电极/电解质界面处的电子与离子转移行为出发,通过将石墨烯与集流体构建一体化三维导电结构,引导电极/电解质界面处实现高效而均匀的电荷传输动力学,同时诱导产生稳定均匀且富含Li F的SEI层,从而实现无枝晶且均匀的可逆沉积/剥离过程,主要内容包括: （1）通过调控碳纳米管（CNT）与氧化石墨烯（GO）的物理掺杂比例,结合碘化氢（HI）化学还原去官能团化和石墨化还原缺陷修复两步法制备得到复合薄膜（CNT@Gr GO）,所制备出的薄膜具备优异的电子传导率和离子扩散率。基于此薄膜性质提出了高通量的电荷转移界面层（High-fiux charge transfer layer,HCTL）这个概念,作为保护锂负极的HCTL,有效改善了电极/电解质界面处电荷的均匀分布,促进了锂的均匀沉积与剥离。所组装的Li/HCTL||Li对称电池在2.5 m A cm-2,2.5 m Ah cm-2的沉积条件下能够稳定循环2000小时,所组装的Li/HCTL||LCO全电池在0.1 C条件下能够稳定循环超过180圈,容量保持率为91.3%,库伦效率为99.8%。其诱导形成的SEI层不仅形貌平整、成分均匀且富含Li F等特点,同时具有较高的离子电导率和优异的机械性能。这项工作为未来基于表面修饰重组改善SEI层提供新的思路。 （2）利用电沉积方式将GO原位沉积在铜箔表面得到复合三维负极（Cu-r GO）。通过控制电沉积时间来调控还原石墨烯（r GO）层的厚度,同时部分未还原石墨烯与铜箔产生自发反应得到Cu O,经过电化学测试证明了Cu-r GO具有优异的调控锂初始成核的能力,能够有效抑制锂枝晶的生长。所装配的Li||Cu-r GO半电池在0.5 m A cm-2,0.5 m Ah cm-2的沉积条件下能够稳定循环超过200圈;所组装的Li||Cu-r GO/Li对称电池在1 m A cm-2,1 m Ah cm-2的沉积条件下可以长循环1800小时;所组装的Cu-r GO/Li||LFP全电池在0.5 C条件下能够稳定循环超过350圈,平均库伦效率为99.2%,且容量保持率为73.1%,同时展示出优异的倍率性能,与高载量LFP极片组装的全电池也展现出了优异的稳定性,证明了其商业化发展的可行性,为后续开发无负极锂金属电池提供新路线。

关键词： 石墨烯   超材料   激光诱导石墨烯   柔性传感器  

摘要： 针对传统无源的超材料偏振器在电磁环境方面的局限性,无法满足现代技术的要求,本文提出在超材料中引入单层石墨烯材料,以赋予其可调谐性能。同时,为进一步简化柔性传感器的制备流程,本文提出激光诱导石墨烯的加工方案,其具有一步合成、力学性能优异和导电率高等优点。基于优化后的激光工艺,提出了一种激光诱导石墨烯（LIG）基柔性传感器,同时实现可拉伸性与高灵敏度,为柔性电子和可穿戴设备领域的发展注入新的动力。本文的主要研究内容如下: 1.提出了一种基于可调偏振转换超表面,由石墨烯、二氧化钒（VO2）和金光栅组成,并分析了超表面单元的相位和幅度特性。在此基础上,当VO2保持绝缘状态时,不对称传输效率（AT）的最大/最小值可达0.61/–0.65。当VO2处于金属状态时,在0.44–0.9 THz范围内,偏振转换率（PCR+）和PCR-系数高于0.87,超表面可以实现宽带偏振转换。通过改变栅极电压,可调控石墨烯电导率,实现反射模式的极化转换带宽和传输模式的AT动态控制。 2.为丰富石墨烯的应用场景,研究了基于聚酰亚胺（PI）薄膜的LIG原位生长技术,并揭示了激光与聚合物反应机理。在研究过程中,探讨了不同LIG薄膜性能的影响。通过实验数据和对比分析发现在0.3 W-150 KHz的激光参数下,所制备的LIG电导率最高可达1010.1 S/m。 3.在上述研究的基础上,研制了基于LIG的蛇形柔性传感器。该传感器设计独特且灵活,适用于多种复杂环境。在温度传感测试中,该传感器在25℃–120℃区间内具备可靠性和重复性,同时具有负温度系数(TCR=-3.655×10-4/℃)。在拉伸应力测试中,该传感器在25%的应变载荷下,响应时间仅为0.39 s,而松弛时间为0.54 s,说明该传感器在曲率应力测试中表现出灵敏的特性,能够准确地检测物体的曲率变化。 综上所述,本文分别围绕单层石墨烯和激光诱导石墨烯进行了深入的研究,分别探讨了它们在“多功能可调谐超表面”和“柔性传感器”方面的应用,为相关领域的发展提供了全新的视角和可能。