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中国科学院上海硅酸盐研究所黄富强课题组--网状超轻石墨烯瓦片清洁太阳能活化原油
        意外的原油泄漏于水面就可以破坏环境并引起经济浩劫。为了减轻这类灾难,在石油扩散之前及时进行干预以控制和回收石油至关重要。普通的亲脂性吸附剂不起作用,因为原油太粘而无法流入其中,尤其是在寒冷的天气下。这就提出了使用石墨烯泡沫的建议,该泡沫也是一种极好的亲脂性吸附剂,因为它是一种导体并且可以被电加热,从而使粗制流体足以吸收。然而,在公海上,电线、电源和电加热任何物体显然都是一个挑战。在这里,我们提出了一种使用太阳能激活石墨烯瓦片的解决方案:在日光照射的几秒钟内,石墨烯瓦片升温并吸收,最终将原油填充到自身体积的74%。它可以进一步用亲脂性的渗油绝热材料涂覆,成为吸光,保热和吸油的黑洞。该瓦片能够承受高达600℃的高温,通过燃烧自身消除吸附的油,可以使其恢复活力,即使少量供应的瓦片也可以持续使用并在一段时间内防止漏油。可重复使用的瓦片是通过热解相同尺寸和形状的聚(偏二氯乙烯)泡沫制成的,密度为16 kg m-3,强度为11.7 kPa。在紧急情况下,最初作为超轻型负载支撑装置安装在石油生产平台和原油运输船上的瓦片可以立即重复吸油,吸油重量是其自身重量的41倍。因此,它们可以为缓解漏油灾难提供至关重要的急救作用。
 
 
Fig. 1. 利用石墨烯瓦片进行太阳能活化原油回收的示意图。
 
 
Fig. 2. 高分子粘土制成的石墨烯瓦片。(a)通过烧制相同尺寸和形状的聚合粘土(上)获得的石墨烯瓦片(下)。石墨瓦片的(b-c) SEM图,(d)高分辨率TEM图和选定区域的电子衍射图及(e)拉曼光谱。(f)水与石墨烯瓦的接触角。(g)石墨烯瓦漂浮在水面上,但在丙酮中下沉。(h) 20 mg石墨烯瓦支撑200 g重量。
 
 
Fig. 3. 石墨烯瓦片的太阳能加热激活原油吸收。(a)模拟不同强度太阳照射下石墨烯瓦的红外图。(b)在0.5-2太阳照射下,石墨烯瓦表面温度迅速上升至稳态值。室温下(c)无和(d)有0.5日光照射在石墨烯瓦上的原油滴,(e)夹在瓦片中的光线经过反复的内部反射后的示意图。
 
 
Fig. 4. 太阳能加热和湿吸收石墨烯瓦片。(a)浸在原油中的瓦片在不同强度的模拟太阳照射下的热图像。(b)湿瓦在0.5-2日晒下表面温度逐渐升高至稳态值。(c)在各种太阳照射下,瓦片对原油的体积吸收能力。(d)在1次太阳照射下,SiO2或硫包覆的石墨烯瓦片的吸收能力超过80℃加热的瓦片。(e)每次自燃后去除粗油瓦片的循环性能。
 
相关研究成果于2020年由中国科学院上海硅酸盐研究所Fuqiang Huang课题组,发表在Applied Materials Today (https://doi.org/10.1016/j.apmt.2019.100551)上。原文:Solar activated crude oil cleanup using net-shape-formed ultralight graphene tiles。

简历:

  教育经历:

  1986-1990 南京理工大学,化工学院,学士学位

  1990-1993 吉林大学,理论化学研究所,硕士学位

  1993-1996 北京师范大学化学系,博士学位

  工作经历:

  1996-1998 美国密西根大学,化学系,博后

  1998-2000 美国西北大学,化学系,研究助理

  2000-2002 美国西门子公司,研究开发部,主管科学家

  2002-2003 美国宾夕法尼亚大学,材料工程和科学系,助理研究员

  2003-至今 中国科学院上海硅酸盐研究所,高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室,研究员

  曾获得奖励、荣誉称号:

  • 国家杰出青年基金获得者
  • 科技部重点领域创新团队负责人
  • 物理学领域2015年度高被引学者

  科研工作简介:

  • 新能源化合物设计合成和新奇物性探索

  提出了被同行称为“Universal Model”的“结构功能区”和“堆积因子”的材料设计概念,系列原创研究被国际学术机构授予“Most Cited Award”、“Hot Article”、“Very Important Paper”;

  • 纳米无机材料和石墨烯材料的新能源应用

  设计和制备了具有石墨烯新结构的被认为“轻如气球、坚如钢铁”的“超级材料”、以及突破目前碳基的储能比容量极限的氮掺杂介孔少层碳发表《科学》期刊;

  • 新型太阳能、先进储能、催化材料和器件制备。

  实现全太阳光谱的新型太阳能利用、石墨烯基的先进储能、以及绿色纳米催化的产业应用突破。

  科研成果:

  发表Science、Nature Mater.、Nature Commun.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.等高影响力SCI论文300余篇,被引用13,000余次,最高单篇>500次;21篇入选ESI前1%高被引论文。

  近年来围绕能源材料设计和制备做出了系统的创新性工作:基于复杂化合物晶体结构中原子基团的相似相聚特性提出了多物理量协同的结构功能区的概念和堆积因子的理论模型,设计和合成性能优异的能源新材料,有127种新化合物被Pearson's Handbook所收录;基于多尺度结构和性能的设计理论发明了多种石墨烯的独特结构,氮掺杂介孔少层碳突破目前碳基的比容量极限,相关成果在Science发表并获得关注;将双元金属协同制备的低缺陷石墨烯应用于薄膜太阳电池,铜铟镓硒电池效率达18.6%,并在国内率先完成兆瓦级中试示范。申请发明专利98项(国外18项)。先后承担973、863、NSFC(杰青、重点、面上)等课题30余项,其中国家杰青结题为“特优”。

  http://www.skl.sic.cas.cn/yjly/nyhj/hfq/kycg/

  主要承担项目:

  在研项目:

  • 国家重点研发项目,高功率低成本规模超级电容器的基础科学与前瞻技术研究,2016-2020,2500万;
  • 科技部重点领域创新团队,无机能量转换材料与应用创新团队,2016-2020;
  • 中国科学院前沿科学重点研究项目,高功率储能材料结构设计与性能调控,2016-2021,300万;
  • 中国科学院战略性先导科技专项(B类),超导新化合物和复合结构的设计制备与超导性能研究,2012-2016,1085万;
  • 国家自然科学基金面上项目,三维石墨烯导电网络制备与宽光谱太阳电池探索,2014-2017,85万;
  • 上海市科技创新行动计划,石墨烯基高功率储能器件的基础科学与前瞻技术研究,2016-2019,100万;
  • 上海市科委基础重点项目,纳米黑色二氧化钛的全太阳光谱利用,2013-2016,40万;
  • 上海市科委国际学术合作交流,新型黑色纳米二氧化钛与太阳能高效利用,2014-2017,30万;
  • 产学研合作项目,先进储能材料与器件,2016-2020,5000万。

  已结题的项目

  • 科技部863计划,低成本非真空铜铟镓硒太阳电池中试技术,2012-2014;
  • 科技部973项目,新型光电转换材料的设计和制备,2007-2011;
  • 国家杰出青年科学基金,新型光电材料与薄膜太阳电池研究,2012-2015;
  • 国家自然基金委创新研究群体科学基金,高性能无机复合能量转换材料的研究,2012-2014
  • 国家自然科学基金面上项目,光电和光催化材料的结构和性能关系模型,2008-2010
  • 国家自然科学基金面上项目,新型p型透明导电体合成与性能研究,2006-2008
  • 中国科学院院重点部署项目,石墨烯在太阳电池中的前期探索,2012-2014
  • 中国科学院知识创新工程重要方向项目,大面积铜铟镓硒薄膜太阳电池低成本制备,2008-2010
  • 中科院知识创新工程重要方向项目,石墨烯制备、物性与应用探索,2009-2011
  • 上海市学术带头人,新型光电材料与薄膜太阳电池研究,2012-2014
  • 上海市浦江人才,平面显示用无机电光材料,2005-2007
  • 上海市科委基础研究领域项目,高临界温度和临界磁场铁基超导材料的制备,2010-2012
  • 上海市科委基础研究领域项目,基于太阳能利用的光电转换材料中空旷度模型和复合模型,2008-2010,
  • 上海市科委非政府间国际科技合作项目,新一代光伏透明导电氧化锌基薄膜的研究,2010-2012
  • 上海市科委纳米专项,高性能锂离子电池正极材料的宏量制备,2009-2011

  详细介绍:

  http://www.skl.sic.cas.cn/yjly/nyhj/hfq/sy/


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