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科學研究
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  目前,雖然世界范圍內均投入大量人力物力發展石墨烯應用技術,但尚缺乏實質性產業技術突破,其根本原因是缺乏優質石墨烯的量產制備技術,就應用體量最大的粉體材料來說,市場上的石墨烯材料缺陷率太高,本質上與“炭黑”相當,嚴重制約了其在包括化學儲能、新能源汽車、先進功能材料及器件等領域的應用技術開拓,是其產業化推廣關鍵瓶頸。

  針對現有石墨烯技術存在“三高一低”(高污染、高缺陷率、高成本、低產能)的技術瓶頸:美國為主導的氧化還原法的“高污染、高缺陷率”,英國劍橋等離子體法的“高成本、低產率”問題,鄭州(新世紀)材料基因組工程研究院(ZMGI)邵教授團隊發明了低成本、全流程綠色制備高品質石墨烯粉體技術,目前已經申請國家及國際發明專利。

  主要特點:方法簡單,成本僅為英國等離子體法的千分之一,且質量更好,適宜于規?;慨a推廣。大規模推廣會充分改變石墨烯技術領域缺乏優質石墨烯粉體量產制備技術的現狀,通過低成本優質粉體材料的推廣普及,形成千億級石墨烯技術產業集群、聯盟,打造國際領先的石墨烯技術產業高地。

  ZMGI石墨烯項目產業化進度:

  2017年3月3日,中興發展與鄭州新世紀材料基因組工程研究院有限公司在鄭州正式簽訂合作協議,推動石墨烯產業化及手機電池的應用。

  2017年4月23日,滎陽市城市投資開發有限責任公司與鄭州新世紀材料基因組工程研究院有限公司在中原智谷正式簽署石墨烯技術合作項目協議。

  2017年9月12日,鄭州新材科技有限公司注冊成立www.zamtl.com,石墨烯生產基地開工建設。計劃通過“一院一園一產業”模式,建立石墨烯產業科技園。

  

  左:ZMGI石墨烯粉體的典型掃描電鏡照,顯示超薄透明的石墨烯“花瓣”。

  右:ZMGI石墨烯產品與國際主流石墨烯粉體產品的拉曼比較(右),國際上首次發現G峰正偏移及2D峰負偏移同時存在,G及2D主峰位移對應與單層石墨烯。

  石墨烯在儲能器件方面的應用

  具有高導電和高比表面特性的石墨烯在混合粘結劑和電極活性材料后能夠形成連續高效的三維到點網絡。相比傳統電極導電劑能夠實現降低電極中導電劑含量的同時提高電極的電子導電能力。因此能夠通過在提高單位重量儲能器件中電極活性材料的比例提高器件的容量的同時保證其性能,是一種次世代的導電添加劑。

  

                                               圖:ZMGI石墨烯在軟包手機電池,Li-S電池的應用示范。

  石墨烯在節能取暖設備方面的應用

  利用石墨烯制備的電熱輻射加熱膜具有升溫快,耗能低,柔韌的薄膜機械性能和超薄的體積等優點,可廣泛應用于工業、農業、醫療、建筑供暖、交通運輸的加熱干燥等多個領域。新型先進碳材料技術的應用使得相比目前市場上采用的傳統電熱輻射與電熱對流取暖設備來說在生產成本、安裝和使用效能方面有極大優勢。

  

  上圖:以石墨烯為基礎材料制備的電加熱膜具有超薄結構和極佳的柔性

  左下圖:石墨烯電加熱膜以0.1W/cm2的功率密度進行加熱6秒后的紅外圖像(40°C)

  右下圖:石墨烯電加熱膜以0.1W/cm2的功率密度進行加熱10秒后的紅外圖像(60°C)

     

   先進碳材-自主知識產權:

     一系列發明專利。

 

  2018-2020年先進碳材料方向論文發表 

  2020年

  1.Confining sulfur in intact freestanding scaffold of yolk-shell nanofibers with high sulfur content for lithium-sulfur batteries. Journal of Energy Chemistry 51 (2020) 378–387

  2.In situ sulfur-doped graphene nanofiber network as efficient metal-free electrocatalyst for polysulfides redox reactions in lithium–sulfur batteries. Journal of Energy Chemistry 47 (2020) 281-290.

  3.“Room-like” TiO2 Array as a Sulfur Host for Lithium-Sulfur Batteries: Combining Advantages of Array and Closed Structures. ACS Sustainable Chem. Eng. 2020, 8, 7609-7616.

  4.Vertically aligned graphene nanosheets on multi-yolk/shell structured TiC@C nanofibers for stable Li–S batteries. Energy Storage Materials 27 (2020) 159-168.

  5. Mechanistic investigations of N-doped graphene/2H(1T)-MoS2 for Li/K-ions batteries. Nano Energy 78 (2020) 105352.

  6. Heater-Free and Substrate-Independent Growth of Vertically Standing Graphene Using A High-Flux Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition. Adv. Mater. Interfaces 2020, 2000854.

  7. High-quality rGO/MoS2 composite via a facile “prereduction-microwave” strategy for enhanced lithium and sodium storage. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 821, 153207.

  8. Porous Carbons: Structure-Oriented Design and Versatile Applications. Adv. Funct. Mater. 2020, 1909265.

  2018年

  1. Construction of low-defect and highly conductive 3D graphene network to enable great-sulphur-content cathode for high performance Li–S/graphene batteries. J. Mater. Chem. A, 2018,6, 22555-22565.

  2.RGO-functionalized polymer nanofibrous membrane with exceptional surface activity and ultra-low airflow resistance for PM2.5 filtration. Environ. Sci.: Nano 2018, 5, 1813-1820.

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