成果精选：刘忠范院士和他的研究团队

Alisa 6年前 (2019-01-31) 20220浏览

人物简介

北京大学博雅讲席教授（2016.11.21）、中国科学院院士（2011.12.10）、发展中国家科学院院士（2015.11）。1983年毕业于长春工业大学，1984年留学日本，1990年获东京大学博士，1991－1993年东京大学和国立分子科学研究所博士后。1993年6月回北京大学任教，同年晋升教授。1993年获首批国家教委跨世纪优秀人才基金资助，1994年获首批基金委杰出青年科学基金资助，1999年受聘首批长江学者奖励计划特聘教授，2004年当选英国物理学会会士，2011年当选中国科学院院士，2013年首批入选中组部“万人计划”杰出人才，2014年当选英国皇家化学会会士，2015年当选发展中国家科学院院士，2016年当选中国微米纳米技术学会会士，2017年中组部授牌成立万人计划“科学家工作室”（2017.3）。主要从事纳米碳材料、二维原子晶体材料和纳米化学研究，发表学术论文逾500篇，获授权中国发明专利30项。曾任国家攀登计划（B）、973计划、纳米重大研究计划项目首席科学家、国家自然科学基金“表界面纳米工程学”创新研究群体学术带头人（三期）。1992年获日中科技交流协会“有山兼孝纪念研究奖”、1997年获香港求是科技基金会杰出青年学者奖，2005年获中国分析测试协会科学技术奖一等奖，2007年获高等学校科学技术奖自然科学一等奖，2008年获国家自然科学二等奖、杨芙清王阳元院士优秀教学科研奖，2009年入选全国优秀博士学位论文指导教师，2012年获中国化学会-阿克苏诺贝尔化学奖、宝钢优秀教师特等奖，2016年获日本化学会胶体与界面化学年会Lectureship Award和北京大学方正教师特别奖等。澳大利亚卧龙岗大学名誉教授、华东理工大学名誉教授、香港浸会大学杰出客座教授。担任“物理化学学报”主编、“科学通报”副主编，Adv. Mater.、Small、Nano Res.、ChemNanoMat、Graphene Technology、APL Mater.、NPG Asia Mater.、Natural Science Review、J. Photochem. Photobiol. C Phtotochem. Rev.等国际期刊编委或顾问编委。现任北京石墨烯研究院院长、中关村石墨烯产业联盟理事长及专家委员会主任委员、北京石墨烯科技创新专项（2016-2025）专家委员会主任、中关村科技园区丰台园科协第三届委员会主席、中国国际科技促进会副会长、教育部科技委委员及学风建设委员会副主任和国际合作学部副主任、北京大学纳米科学与技术研究中心主任等职。还担任国家自然科学基金委员会第十四届专家评审组专家、中国化学会常务理事及纳米化学专业委员会创始主任、中国微米纳米技术学会常务理事。第十二届全国人大代表，九三学社第十三届中央委员和院士工作委员会副主任，北京市人民政府专家咨询委员会委员，九三学社北京市主任委员。

刘忠范发展了低维碳材料的化学气相沉积（CVD）生长方法学，建立了精确调控碳纳米管、石墨烯等低维碳材料结构的系列生长方法，发明了碳基催化剂、二元合金催化剂等新型生长催化剂，提出了新的碳纳米管“气—固”生长模型。首次将有机小分子的自组装概念拓展到准一维碳纳米管领域，建立了多种化学自组装方法，实现了碳纳米管在各种固体表面的有序组装，并开拓了碳纳米管电化学和基于扫描探针显微技术的针尖化学研究方法。

研究成果梳理：

1.J. Am. Chem. Soc.：石墨烯/蓝宝石基底上无应力AlN的快速生长

J. Am. Chem. Soc. 在线刊登了北京大学刘忠范教授课题组、高鹏研究员课题组与中国科学院半导体研究所李晋闽研究员课题组、中国科学院力学研究所魏宇杰研究员课题组合作发表的题为“Fast Growth of Strain-Free AlN on Graphene-Buffered Sapphire”的工作。该工作研究了AlN在石墨烯覆盖的蓝宝石上的生长行为，以及石墨烯对于AlN应力释放、缺陷密度降低的影响。研究表明：石墨烯缓冲层的引入可以显著降低AlN的成核密度，减小由于畴区拼接造成的缺陷结构密度。与此同时，石墨烯的插入还可以有效地释放AlN与蓝宝石之间由于晶格失配和热失配造成的应力。

原文链接：Fast Growth of Strain-Free AlN on Graphene-Buffered Sapphire，（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140 (38), pp 11935–11941, DOI: 10.1021/jacs.8b03871 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b03871）

2.Adv. Mater.:基于石墨烯缓冲层的高亮蓝光LED

北京大学刘忠范院士的纳米化学研究中心团队和中科院半导体所李晋闽研究员的半导体照明中心团队合作，提出利用石墨烯作为GaN生长缓冲层来实现高亮LED的新策略。在该工作中，研究人员利用CVD的方法，在蓝宝石上直接生长石墨烯，避免了石墨烯转移过程中的污染、破损问题，可规模化制备。在石墨烯/蓝宝石上直接生长的GaN薄膜具有极低应力(0.16 GPa)与位错密度(~10⁸×cm⁻²)，得到的蓝光LED与传统工艺得到的器件相比，光输出功率提升高达19.1%。值得强调的是，在石墨烯上生长GaN薄膜，无需低温缓冲层，可节省MOCVD生长时间，有望进一步降低成本。该成果以题为“High-Brightness Blue Light-Emitting Diodes Enabled by a Directly Grown Graphene Buffer Layer”发表在Adv. Mater.上。

文献链接：High‐Brightness Blue Light‐Emitting Diodes Enabled by a Directly Grown Graphene Buffer Layer, (Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201801608)

3.J. Am. Chem. Soc.：研究新发现-石墨烯到金属碳化物的新型转变

北京大学的刘忠范院士、张艳峰研究员和北京理工大学李元昌老师 (共同通讯作者)等人在J. Am. Chem. Soc.上发布了一篇关于石墨烯与金属碳化物的文章，题为“Unique Transformation from Graphene to Carbide on Re(0001) Induced by Strong Carbon–Metal Interaction”。

作者通过扫描隧道显微镜（STM）及原位-高温低能电子衍射（LEED）表征，首次发现在Re(0001)基底上生长的石墨烯，经过高温退火会逐渐转变为金属碳化物。此转变过程主要包括：高温退火下，石墨烯的碎裂、碳原子的体相溶解；降温过程中, 碳原子的偏析，在金属表面形成碳化物。该转变趋势与VIII族过渡金属基底上石墨烯向金属碳化物转变的趋势截然相反。

文献链接：Unique Transformation from Graphene to Carbide on Re(0001) Induced by Strong Carbon–Metal Interaction (J. Am. Chem. Soc., 2017 , DOI: 10.1021/jacs.7b09755）

4.Adv. Mater.：多级结构石墨烯泡沫用于高效太阳能-热能转换

北京大学刘忠范院士、彭海琳教授（共同通讯）等人报道了通过等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）生长的，具有连续孔隙的多级结构石墨烯泡沫（h-G泡沫）。其结构特点在于在多孔的三维石墨烯泡沫骨架上构筑了垂直石墨烯纳米片阵列结构。在光学上，这种结构即使在小角度入射角下，仍保持高效的光吸收和很小的反射，该性质有利于材料在真实自然环境下的光热转化应用。作为光热转换材料，h-G泡沫可以实现约93.4％太阳能-热能转换效率。此外，h-G泡沫由于具有优异的抗腐蚀性能且质量较轻，因而适用于便携式光热转换应用，例如污水处理和海水淡化。其中，海水淡化应用的太阳蒸气转化效率超过90％，超过了大部分已有的光热转换材料，且具有良好的耐久性和循环使用性能。相关成果以题为“Hierarchical Graphene Foam for Efficient Omnidirectional Solar–Thermal Energy Conversion”发表在了Advanced Materials上。

文献链接：Hierarchical Graphene Foam for Efficient Omnidirectional Solar–Thermal Energy Conversion（Adv. Mater.,2017,DOI:10.1002/adma.201702590）

5.ACS Nano: Direct-CVD技术制备的用于捕获多硫化物的“猪笼草”结构氮掺杂石墨烯

北京大学刘忠范院士联合苏州大学孙靖宇教授、张力教授（共同通讯作者）设计了类似“猪笼草”分级结构的氮掺杂石墨烯（NHG）膜作为有希望的多硫化物捕获剂，同时兼有对多硫化物的物理阻隔和化学吸附作用。论文的共同第一作者为课题组的李秋珵博士、博士研究生宋英泽以及清华-伯克利深圳学院的博士研究生徐润章。合作者包括清华-伯克利深圳学院的邹小龙研究员以及苏州大学的Mark Rümmeli教授。NHG材料通过在生物质硅藻土模板上运用直接化学气相沉积法（Direct-CVD）生长氮掺杂石墨烯而产生。NHG精巧的“猪笼草”结构完美地继承了经历CVD反应的生物模板，这种共形的石墨烯涂层在模板去除后被保留。这种生物模板CVD方法能够批量生产和精确控制NHG的掺杂浓度，这与传统的基于液相剥离的石墨烯材料不同。得益于高表面积，多孔结构和NHG材料的丰富氮掺杂，由此衍生的隔膜表现出良好的多硫化物捕获性能。此外，CVD生长的NHG骨架的优异导电性有利于加速长链Li₂S_x催化转化为不溶性Li₂S₂/Li₂S，提供了阻碍多硫化物穿梭的额外途径。该工作提出了一种仿生学研究策略，用于设计迷人的屏障结构，以实现高效的多硫化物捕获，使得电池具有良好的倍率性能和长循环性能。相关研究成果以“Bio-Templating Growth of Nepenthes-Like N-Doped Graphene as Bifunctional Polysulfide Scavenger for Li-S Batteries”为题发表在ACS Nano上。

文献链接：“Bio-Templating Growth of Nepenthes-Like N-Doped Graphene as Bifunctional Polysulfide Scavenger for Li-S Batteries”(ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b05246)

6.Nature Communications：新型的超快高敏二维红外探测器

北京大学的彭海琳教授以及刘开辉研究员（共同通讯作者）等人合作开发了一种基于硒氧化铋（Bi₂O₂Se）晶体的新型原型近红外探测器。硒氧化铋是彭海琳课题组与合作者近年来新发现的一类同时具有高电子迁移率、合适带隙、环境稳定和可批量化制备等特点的二维半导体材料（Nature Nanotech. 2017, 12, 530; Nano Lett. 2017, 17, 3021; Adv. Mater. 2017, 29, 1704060）。该晶体化合物由氧化铋（Bi₂O₂）和硒层交替堆叠而成，加之晶格中氧的存在，使其在空气中可以相当稳定的存在。在这一晶体材料的基础上开发的原型光电探测器具有从可见光到1700nm短波红外区的超宽光谱响应，与此同时，器件在近红外二区的灵敏度可高达65A/W左右，展现出了优异的灵敏性。此外，利用飞秒激光器组建的超快光电流动态扫描则显示了该种探测器具有约1皮秒的超快光电流响应时间，进一步证明了硒氧化铋二维晶体在红外探测应用的前景。2018年8月17日，相关成果以题为“Ultrafast and highly sensitive infrared photodetectors based on two-dimensional oxyselenide crystals”在线发表在Nature Communications上。

文献链接：Ultrafast and highly sensitive infrared photodetectors based on two-dimensional oxyselenide crystals（Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-05874-2）

7.Energ. Environ. Sci.：光热效应增强超级电容器电容

北京大学的刘忠范院士和北京石墨烯研究院的魏迪研究员（共同通讯）的第一作者衣芳，共同一作任华英、戴可人作者等人发现，在光照下，由于光热效应，超级电容器的电容、能量密度和功率密度都得到大幅提高。超级电容器采用具有全光谱高光吸收率及高热导率的三维多级结构石墨烯作为电极，在1个太阳光照（1 kW m^-2）条件下，超级电容器在整个太阳光谱范围光吸收率> 92.88％，光热响应时间<200 s，表面温度变化约39℃。在1个太阳光照下，赝电容器型超级电容器的电容增加到约1.5倍；双电层型超级电容器的电容增加到约3.7倍。这项工作为太阳能应用提供了新的途径，为能源存储设备的开发提供了新的设计思路。相关成果以“Solar thermal-driven capacitance enhancement of supercapacitors”为题发表在Energy & Environmental Science上。

文献链接：Solar thermal-driven capacitance enhancement of supercapacitors（Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/ C8EE01244J）。

8.Adv. Mater.:石墨烯前体促进石墨烯/ h-BN垂直异质结构快速生长及其在OLEDs中的应用

来自北京大学的刘忠范院士和张艳锋研究员、清华-伯克利深圳学院的邹小龙研究员（共同通讯）等人开发了一种用于Cu箔上Gr/h-BN垂直异质结构快速生长的镍茂前体促进途径，其显示出大大提高的合成效率（8-10倍快）和石墨烯的结晶质量（大单晶域高达≈20μm）。其合成路线的关键优点是利用从镍离子分子中分解的镍原子作为气态催化剂，根据密度泛函理论计算，可以降低石墨烯生长的能量势垒，促进碳源的分解。

文献链接：Nickelocene-Precursor-Facilitated Fast Growth of Graphene/h-BN Vertical Heterostructures and Its Applications in OLEDs（Adv. Mater.,2017,DOI:10.1002/adma.201701325）

9.Nano Lett.：在一氧化硅微粒上垂直生长石墨烯用作稳定的锂离子电池负极

北京大学刘忠范院士与彭海琳教授（共同通讯）合作，提出了一种垂直石墨烯包裹的一氧化硅微粒（d-SiO@vG），它可以用作稳定的锂离子电池负极并拥有高比容量。在一氧化硅（SiO）微粒表面通过化学气相沉积方法垂直生长的石墨烯不仅可以显著增强微粒的导电性能，还能为锂离子提供大量的传输通道。研究发现，即使在高负载（1.5 mg/cm²）情况下，获得的复合材料仍然有很好的稳定性（100圈，保持率93%），容量高达1600 mA h/g。本成果以“Vertical Graphene Growth on SiO Microparticles for Stable Lithium Ion Battery Anodes ” 为题于5月4号发表在期刊Nano Letter上。

文献链接：Vertical Graphene Growth on SiO Microparticles for Stable Lithium Ion Battery Anodes (Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00906)

发表的综述成果：

1.Adv. Mater.综述：传统玻璃表面上的石墨烯CVD生长方法和机理

北京大学刘忠范院士（通讯作者）等人在材料领域顶刊Advanced Materials上发表了题为“Direct CVD Growth of Graphene on Traditional Glass: Methods and Mechanisms”的综述。刘院士的团队希望为大家提供在各种商业玻璃上CVD法直接生长石墨烯的技术综合指南。本文从石墨烯在玻璃上生长的基本过程和挑战开始，对于软化点超过1000℃的耐高温玻璃，如石英或蓝宝石玻璃，可以通过碳前体在高温下的非催化热分解实现石墨烯的生长。对于普通玻璃，如钠钙玻璃，其软化点远低于低于石墨烯的生长温度，则发展了熔融床CVD技术。在这种情况下，发现熔融的玻璃表面有利于碳物质的快速迁移，因此大大提高了石墨烯的生长速率。为提升“石墨烯在玻璃衬底上的生长质量，则可以引入金属催化剂，利用金属催化作用实现高品质石墨烯的生长。等离子体增强CVD（PECVD）技术则可以实现玻璃衬底上石墨烯的低温生长。最后从大规模生产“超级石墨烯玻璃”的角度讨论，未来实际应用中面临的挑战。

文献链接：Direct CVD Growth of Graphene on Traditional Glass: Methods and Mechanisms（Adv. Mater.，2018，DOI：10.1002/adma.201803639）

2.Chem. Rev.综述：化学气相沉积制备石墨烯--理想与现实石墨烯是一种新型纳米碳材料，具有独特的二维蜂窝状晶体结构，以及优异的电学、热学、光学和力学等性能，因而在电子器件、光学器件、传感器件、电化学储能、复合材料、热学等领域有着广阔的应用前景。自从石墨烯被发现以来，其制备技术也同时引起学术界的广泛关注。化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）法是目前大面积制备高品质石墨烯薄膜的有效方法，然而，CVD生长的石墨烯薄膜在制备的过程中会产生缺陷、晶界和褶皱，转移的过程中也会造成表面污染与破损，因此限制了进一步应用。近日，北京大学刘忠范院士和彭海琳教授在Chemical Reviews期刊上发表了综述文章“Bridging the Gap between Reality and Ideal in Chemical Vapor Deposition Growth of Graphene”。本文的第一作者是林立博士。这也是权威综述期刊Chemical Reviews首次刊登CVD石墨烯的综述文章。本综述主要介绍了碳材料的成键和制备历史，CVD法制备石墨烯的热力学过程与生长动力学机制，讨论了生长条件对石墨烯畴区尺寸、形貌、缺陷、生长速度、层数和质量的影响，并对高质量石墨烯材料的制备方法进行总结，展望了未来制备高质量石墨烯薄膜的研究。

文献链接：Bridging the Gap between Reality and Ideal in Chemical Vapor Deposition Growth of Graphene. （Chem. Rev. 118, 18, 9281-9343. DOI: 10.1021/acs.chemrev.8b0032）

3.Adv. Mater.综述：走向CVD石墨烯薄膜的规模制备

Adv. Mater. 在线刊登了北京大学彭海琳教授与刘忠范院士发表的题为“Toward Mass Production of CVD Graphene Films”的综述文章，集中阐述了基于CVD方法的石墨烯薄膜大规模生产的研究现状与未来发展方向。论文第一作者为北京大学博士研究生邓兵，通讯作者为彭海琳教授和刘忠范院士。首先简要介绍了CVD方法制备石墨烯的基本原理，然后详细分析了控制石墨烯质量的工程原理，包括制程、设备以及关键参数等，最后还讨论了石墨烯薄膜的大面积均一性和快速表征方法。此外，该综述中还指出了石墨烯规模化生产所面临的挑战。

文献链接：Toward Mass Production of CVD Graphene Films (Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201800996)

4.Chem. Soc. Rev.综述：2D MXenes在能量转换和存储系统中的应用

北京大学刘忠范院士、德国莱布尼茨固体材料研究所Mark H. Rummeli教授、济南大学刘宏教授团队（共同通讯作者）带领下，与山东大学、苏州大学和波兰科学院合作，全面总结了MXenes研究的最新进展。首先回顾MXenes的结构类型、形貌及其合成路线。然后，综述了MXenes的力学、电子、光学和电化学性质。然后焦点转向它们在能量储存和转换方面令人兴奋的潜力。储能应用包括可充电锂离子电池、锂硫电池和超级电容器中的电极。在能量转换方面，介绍了光催化燃料的生产，如裂解水产氢和二氧化碳还原。此外，还讨论了MXenes在光催化降解水中有机污染物（如染料废水）方面的潜力，以及它们作为合成氨（以氮气为原材料）催化剂的前景。最后总结了它们的应用潜力，为正在升起的新星MXenes材料提供了一个展望未来的机会和可能性。相关成果以题为“Applications of 2D MXenes in energy conversion and storage systems”发表在了Chem. Soc. Rev. 上。