清华大学材料学院朱宏伟

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朱宏伟，清华大学材料学院教授、博士生导师。从事纳米材料制备、结构表征和性能研究。近年来承担国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金、北京市科技计划重大项目、教育部博士点基金等项目。曾获国家自然科学二等奖和教育部自然科学一、二等奖。出版学术著作2部，在Science, Adv. Mater., Nano Lett., Energy Environ. Sci.和NPG Asia Mater.等期刊上发表论文200余篇。
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教育背景
2003，清华大学，博士（材料加工工程）
1998，清华大学，学士（机械工程）


工作履历
2009-      清华大学，教授
2008-2009  清华大学，副教授
2004-2008  University of Delaware/Louisiana State University (USA)，博士后
2003-2004  日本産業技術総合研究所，博士后


研究领域
纳米材料宏观结构组装与功能调控
能源材料、环境材料、传感材料


学术成果
1. P. Z. Sun, K. L. Wang, H. W. Zhu*. Recent developments in graphene-based membranes: structure, mass transport mechanism and potential applications. Adv. Mater. 2016, 28, 2287.
2. P. Z. Sun, R. Z. Ma*, W. Ma, J. H. Wu, K. L. Wang, T. Sasaki, H. W. Zhu*. Highly selective charge-guided ion transport through a hybrid membrane consisting of anionic graphene oxide and cationic hydroxide nanosheets superlattice units. NPG Asia Mater. 2016, 8, e259.
3. X. M. Li, T. T. Yang, Y. Yang, J. Zhu, L. Li, F. E. Alam, K. L. Wang, H. Y. Chen, C. T. Lin*, Y. Fang*, H. W. Zhu*. Large-area ultrathin graphene films by single-step Marangoni self-assembly for highly sensitive strain sensing application. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 1322.
4. T. T. Yang, W. Wang, H. Z. Zhang, X. M. Li, J. D. Shi, Y. J. He, Q. S. Zheng, Z. H. Li*, H. W. Zhu*. Tactile sensing system based on arrays of graphene woven microfabrics: electromechanical behavior and electronic skin application. ACS Nano 2015, 9, 10867.
5. X. M. Li, T. S. Zhao, H. W. Zhu*. Chapter 7: Quantum dot and heterojunction solar cells containing carbon nanomaterials in Carbon Nanomaterials for Advanced Energy Systems: Advances in Materials Synthesis and Device Applications. Ed. W. Lu, J. B. Baek, L. M. Dai. John Wiley & Sons (2015).
6. X. M. Li*, Z. Lv, H. W. Zhu*. Carbon/silicon heterojunction solar cells: State of the art and prospects. Adv. Mater. 2015, 27, 6549.
7. P. Z. Sun, Q. Chen, X. D. Li, H. Liu, K. L. Wang, M. L. Zhong, J. Q. Wei, D. H. Wu, R. Z. Ma, T. Sasaki, H. W. Zhu*. Highly efficient quasi-static water desalination using monolayer graphene oxide/titania hybrid laminates. NPG Asia Mater. 2015, 7, e162.
8. X. Li, X. B. Zang, X. M. Li, M. Zhu, Q. Chen, K. L. Wang, M. L. Zhong, J. Q. Wei, D. H. Wu, H. W. Zhu*. Hybrid heterojunction and solid state photoelectrochemical solar cells. Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1400224.
9. Y. Wang, L. Wang, T. T. Yang, X. Li, X. B. Zang, M. Zhu, K. L. Wang, D. H. Wu, H. W. Zhu*. Wearable and highly sensitive graphene strain sensors for human motion monitoring. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 4666.
10. X. B. Zang, Q. Chen, P. X. Li, Y. J. He, X. Li, M. Zhu, X. M. Li, K. L. Wang, M. L. Zhong, D. H. Wu, H. W. Zhu*. Highly flexible and adaptable, all solid-state supercapacitors based on graphene woven fabric film electrodes. Small 2014, 10, 2583.
11. P. Z. Sun, F. Zheng, M. Zhu, Z. G. Song, K. L. Wang, M. L. Zhong, D. H. Wu, R. B. Little, Z. P. Xu, H. W. Zhu*. Selective trans-membrane transport of alkali and alkaline earth cations through graphene oxide membranes based on cation-π interaction. ACS Nano 2014, 8, 850.
12. P. Z. Sun, M. Zhu, K. L. Wang, M. L. Zhong, J. Q. Wei, D. H. Wu, Z. P. Xu, H. W. Zhu*. Selective ion penetration of graphene oxide membranes. ACS Nano 2013, 7, 428.
13. Y. X. Lin, X. M. Li, D. Xie, T. T. Feng, Y. Chen, R. Song, H. Tian, T. L. Ren, M. L. Zhong, K. L. Wang, H. W. Zhu*. Graphene/semiconductor heterojunction solar cells with modulated antireflection and graphene work function. Energy & Environ. Sci. 2013, 6, 108.
14. E. Z. Shi, H. B. Li*, L. Yang, L. H. Zhang, Z. Li, P. X. Li, Y. Y. Shang, S. T. Wu, X. M. Li, J. Q. Wei, K. L. Wang, H. W. Zhu*, D. H. Wu, Y. Fang, A. Y. Cao*. Colloidal antireflection coating improves graphene-silicon solar cells. Nano Lett. 2013, 13, 1776.
15. X. Li, R. J. Zhang, W. J. Yu, K. L. Wang, J. Q. Wei, D. H. Wu, A. Y. Cao, Z. H. Li, Y. Cheng, Q. S. Zheng, R. S. Ruoff, H. W. Zhu*. Stretchable and highly sensitive graphene-on-polymer strain sensors. Sci. Rep. 2012, 2, 870.
16. 朱宏伟, 徐志平, 谢丹. 石墨烯: 结构、制备方法与性能表征. 北京: 清华大学出版社, 2011.
17. H. W. Zhu, B. Q. Wei. Macrostructures of carbon nanotubes. Encyclopedia of Nanosci. Nanotechnol., American Scientific Publishers, Ed. Hari Singh Nalwa. 2011, 16, 33 (Book chapter).
18. X. M. Li, H. W. Zhu*, K. L. Wang, A. Y. Cao, J. Q. Wei, C. Y. Li, Y. Jia, Z. Li, X. Li, D. H. Wu. Graphene-on-silicon Schottky junction solar cells. Adv. Mater. 2010, 22, 2743.
19. X. C. Gui, J. Q. Wei, K. L. Wang, A. Y. Cao, H. W. Zhu, Y. Jia, Q. K. Shu, D. H. Wu. Carbon nanotube sponges. Adv. Mater. 2010, 22, 617.
20. H. W. Zhu*, J. Q. Wei, K. L. Wang, D. H. Wu. Applications of carbon materials in photovoltaic solar cells. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2009, 93, 1461.
21. J. Z. Cai, L. Lu, W. J. Kong, H. W. Zhu, C. Zhang, B. Q. Wei, D. H. Wu, F. Liu. Pressure-induced transition in magnetoresistance of single-walled carbon nanotubes. Phys. Rev. Lett. 2006, 97, 026402.
22. H. W. Zhu, K. Suenaga, K. Mizuno, A. Hashimoto, K. Urita, K. Hata, S. Iijima. Atomic-resolution imaging of the nucleation points of single-walled carbon nanotubes. Small 2005, 1, 1180.
23. 朱宏伟, 吴德海, 徐才录. 碳纳米管. 北京：机械工业出版社, 2003.
24. H. W. Zhu, C. L. Xu, D. H. Wu, B. Q. Wei, R. Vajtai, P. M. Ajayan. Direct synthesis of long single-walled carbon nanotube strands. Science 2002, 296, 884.

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清华大学材料学院朱宏伟教授在《Materials Science and Engineering: R - Reports》发表综述论文：智能材料与穿戴式触觉传感器的最新研究进展

          将电子产品当成手镯、眼镜和鞋子等随身穿戴品一样“穿戴”在身上已然成为一种新时尚。现今，便携式智能电子产品发展日新月异，出现了许多多功能的可穿戴器件。其中穿戴式触觉传感器是当下科技圈最前沿的领域之一，可模仿人与外界环境直接接触时的触觉功能，主要包括对力信号、热信号和湿信号的探测，是物联网的神经末梢和人类全面感知自然及自己的核心元件。从上个世纪七八十年代以来，触觉传感器件就引起了材料、物理、化学、电子、机器人等多学科领域研究者的广泛关注。发展穿戴式、适应基底任意变形，同时对多种无规则触觉刺激有准确响应的新型触觉传感器件至关重要。随着石墨烯、碳纳米管、氧化锌、液态金属等新型功能材料的出现，柔性电子相关制备技术的革新，穿戴式触觉传感器的研究在近几年得到了迅猛的发展。
          近日，清华大学材料学院朱宏伟教授及其团队在《Materials Science and Engineering: R - Reports》期刊（IF=24.652）发表题为“Recent advances in wearable tactile sensors: Materials, sensing mechanisms, and device performance”的长篇综述论文，总结了近几十年来可穿戴式柔性触觉传感器研究的重大突破和进展，从基本概念、材料选择、传感机制、性能优化、多功能集成和潜在应用等几个方面进行了系统评述，并对未来科研热点（如物联网、虚拟现实/增强现实）做了展望。
           穿戴式触觉传感器通常构建在类似皮肤的弹性基底或者可伸缩的织物上以获得柔性和可伸缩性。从换能机理来看，触觉传感主要应用了压阻式、电容式和压电式等传感技术，每种传感原理都有其特点和适合的应用场所。随着材料科学、柔性电子和纳米技术的飞速发展，器件的灵敏度、量程、规模尺寸以及空间分辨率等基础性能提升迅速，甚至超越了人的皮肤。同时，力、热、湿、气体、生物、化学等多刺激分辨的传感要求，也促使更精巧的器件设计和更成熟的集成方案。具有生物兼容、生物可降解、自修复、自供能及可视化等实用功能的智能传感器件也应运而生。此外，穿戴式电子朝着集成化方向发展，即针对具体应用将触觉传感器与相关功能部件（如电源、无线收发模块、信号处理、执行器等）有效集成，打造具有良好柔性、空间适应性和功能性的穿戴式平台。
          目前，穿戴式触觉传感器距离实际应用仍然面临很多挑战，例如传感器在反复变形过程中的性能退化问题、多刺激同时探测的串扰解耦问题、穿戴式平台内部器件之间的力、热、电性能匹配问题。这些挑战的应对将带来新的机遇，为相关材料制备、器件加工及系统集成指明未来的发展方向。毫无疑问，穿戴式触觉传感器将朝向柔性化、小型化、智能化、多功能化、人性化方向发展。触觉传感器的适用范围将大大拓宽，在人机交互系统、智能机器人、移动医疗等领域具有巨大的应用前景。
          综述论文的通讯作者为清华大学材料学院的朱宏伟教授，第一作者为2012级博士生杨婷婷，合作者包括李志宏教授（北京大学微电子学研究院）和谢丹副教授（清华大学微电子学研究所）。相关研究工作得到了国家自然科学基金和唐仲英基金等项目的资助。
    文章链接：

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927796X16301231

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窄带隙硒化锑薄膜光阴极高效光解水制氢

将自然界“取之不尽，用之不竭”的太阳能通过光电催化分解水转化为氢能不仅能实现对太阳能的高效存储，解决太阳能昼夜间歇及能量密度低等缺点，同时能获得清洁的氢燃料（反应产物为无污染的水）与化工原料（如氨的合成等）。研究开发高效、稳定、廉价及具有宽光谱太阳光响应的光电极新材料是光电催化分解水制氢的核心。

近日，清华大学的朱宏伟教授团队与合作者通过设计硒化锑（Sb2Se3）窄带隙光阴极，实现了具有近红外太阳光响应的光电催化分解水制氢。他们通过简单的热蒸镀（以商品化的硒化锑粉体为原料）及中低温退火（含硒气氛中400 ℃退火）的方法，实现了窄带隙硒化锑多晶薄膜光阴极的大面积（约20 cm2）可控制备；通过引入n型CdS/TiO2双改性层（构建p-n异质结及光化学腐蚀保护层）与Pt纳米颗粒（析氢催化剂）进行表面改性，制备了Sb2Se3(Se)/CdS/TiO2/Pt复合光阴极，在接近中性的缓冲溶液及模拟太阳光的条件下，获得了约-8.6 mA/cm2（0 VRHE）的光电流、0.43 VRHE的起始电压和10 h的稳定性以及接近1040 nm的可见光-近红外响应。

窄带隙硒化锑薄膜光阴极高效光解水制氢

该研究结果为构建高效、稳定及廉价的双电极串叠光电化学池（由宽带隙光阳极与窄带隙光阴极组成）提供了极具应用前景的窄带隙光阴极新材料。同时该光阴极的设计思路将对研究开发其他硫硒化物光阴极提供有价值的参考。相关研究工作近期发表在ACS Nano上，通讯作者是清华大学材料学院的朱宏伟教授，第一作者是清华大学材料学院的博士后张礼，主要合作者包括电子科技大学的李严波教授、多伦多大学的钟苗博士后和中国科学院大连化学物理研究所的章福祥研究员等。该研究工作获得国家自然科学基金和博士后基金的资助。

该论文作者为：Li Zhang, Yanbo Li, Changli Li, Qiao Chen, Zhen Zhen, Xin Jiang, Miao Zhong, Fuxiang Zhang, Hongwei Zhu

Scalable Low-Band-Gap Sb2Se3Thin-Film Photocathodes for Efficient Visible–Near-Infrared Solar Hydrogen Evolution

ACS Nano, 2017, 11, 12753, DOI: 10.1021/acsnano.7b07512

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2018年5月8日，清华大学材料学院朱宏伟教授团队与合作者在英国皇家化学学会旗下的《化学学会评论》（Chemical Society Reviews）上发表了题为“基于石墨烯和过渡金属二硫属化合物范德华异质结的光伏与光电化学能量转换”（Engineering graphene and TMDs based van der Waals heterostructures for photovoltaic and photoelectrochemical solar energy conversion）的长篇综述文章，综述了基于石墨烯和过渡金属硫化物（TMDs）的二维/二维（2D/2D）、二维/三维（2D/3D）范德华异质结在太阳能转化应用方面的最新进展，讨论了其与传统太阳能电池和光电极的差异性及潜在优势，分析了光电转换过程中的物理和化学及界面光生载流子传输行为，总结了不同界面调控方法对异质结光电性能的影响，展望了二维材料异质结在光伏、光电化学等领域现阶段存在的问题及面临的挑战。最后针对目前范德华异质结太阳能电池和光电极的不足，提出了相关策略以增加其光电转换效率。

二维范德华异质及光电器件示意图

图1 二维范德华异质及光电器件示意图

石墨烯是一种由碳原子组成的稳定且可自支持的二维材料，具有高载流子迁移率、良好的透光性及优异的电子传输性能。石墨烯可作为透明导电极和载流子传输层用于光伏太阳能电池。但是，零带隙石墨烯的吸光性可调性较差，无法作为吸光层用于太阳能转化。TMDs具有多种电子能带结构，涵盖了绝缘体（如HfS2）、金属（如NbS2，VSe2）、半导体（如MoS2、WS2和WSe2）等材料，因而弥补了石墨烯不能有效吸收太阳光的缺点。具有半导体性质的TMDs的带隙一般在1~2 eV之间，其吸光范围与太阳光谱相契合且可媲美传统窄带隙半导体材料，如Si（1.1 eV）、GaAs（1.4 eV）和CdTe（1.5 eV）。大部分TMDs具有独特的能带结构，随着层数的减少，带隙逐渐增加，当材料为单层时，能带结构从块状半导体的间接带隙转变为单层半导体的直接带隙。超薄的2D TMDs具有优异的吸光和很短的激子传输路径，理论上可降低载流子复合率，在太阳能转化方面具有很大的潜在应用价值。石墨烯和不同的2D TMDs可以组合成任意的2D/2D和2D/3D范德华异质结同时不用考虑晶格匹配的问题，为实现超薄、柔性且高效的太阳能电池提供了可能。除了应用于太阳能电池领域，利用TMDs优异的催化性能和稳定性，可以构建高效且稳定的范德华异质结光电极用于光电化学分解水。目前，该类范德华异质结在太阳能转化应用方面还处在起步阶段，太阳能转化效率有待进一步提高，在表面及界面调控方面存在着诸多挑战。本综述论文基于石墨烯和TMDs范德华异质结在光伏和光电催化方面的应用，从基本原理、材料基本结构与性质、能带排布、界面调控策略、挑战与展望等多个方面进行了分析、讨论和总结，在界面调控方面提出了有益的见解，对范德华异质结太阳能转化器件的性能优化有重要的指导作用。

本文的通讯作者为清华大学材料学院朱宏伟教授和日本东京大学机械工程系基恩-杰克斯？德劳内（Jean-Jacques Delaunay）教授，第一作者为清华大学材料学院博士后李昌黎。其他重要作者包括东京大学博士生曹祺、电子科技大学博士后王法则和电子科技大学基础与前沿研究院李严波教授。本工作受到国家自然科学基金委基础科学中心项目和面上项目的资助。《化学学会评论》是英国皇家化学会旗下的综述类学术期刊，该期刊目前影响因子为38.618。

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经过一个多月的院系自由提名、复评投票（含师德宣讲）等阶段，清华大学第十六届“良师益友”评选结果于近期揭晓，材料学院朱宏伟等来自37个院系的42位教师获“良师益友”称号。
至此，“良师益友”在清华已走过20个年头，从评选中走出了657位“良师益友”。20年来，“良师益友”评选活动在营造尊师重教氛围、加强师生交流、传播良师风范、共建益友氛围等方面起到了积极作用，在促进学术软环境建设方面取得了丰硕成果。

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浙大林时胜＆清华朱宏伟AFM综述：量子点与石墨烯之间的相互作用及其在石墨烯基太阳能电池与光电探测器中的应用

2004年发现的石墨烯材料和二维材料因其优异的性能以及可在诸多领域得到应用而引起广泛的研究。众所周知，石墨烯是一种由碳原子以六方结构紧密排列所组成的蜂窝状晶体，本征石墨烯的价带与导带相交于狄拉克点处，带隙为零。石墨烯拥有很多优异的性能，包括微尺度弹道输运、超高的载流子迁移率、可调的光电特性等等。此外，由于特征尺寸的减小，石墨烯可以不受晶格匹配的限制而与其它半导体材料形成垂直的原子层厚度的异质结。这些独特的性能使石墨烯在光学和光电器件领域具备很好的应用价值。在过去的几十年中，石墨烯光/电器件的应用（如光探测器、太阳能电池、发光二极管、发电机等）已经在科学界得到广泛的探索，并在工业界崭露头角。对于石墨烯基太阳能电池和光电探测器，虽然有很多优点，但由于单层石墨烯和二维材料的吸光率有限，使得单独采用石墨烯和二维材料的光电器件难以达到应用级别的性能参数。通过量子点异质集成石墨烯，提升石墨烯的光吸收率和载流子寿命的一个有效的策略，从而提高器件的光电转换效率，达到光－电的高效转换。

光电探测器在各个领域的应用

近日，浙江大学的林时胜副教授和清华大学的朱宏伟教授等人针对石墨烯在太阳能电池和光电探测器中的最新进展，综述了不同量子点用于增强石墨烯光电应用的机理。尽管现在还难以精确解释量子点/石墨烯异质结构中的载流子输运过程，但其已在光电器件中展现出极大的优势。该成果系统地介绍了量子点的特性以及量子点/石墨烯异质结构的优势与相互作用的关键物理机理，定量分析了影响能量转移效率的因素。此外，还综述了量子点用于增强太阳能电池、光电探测器的研究进展，并讨论了量子点/二维材料异质结构所面临的挑战与未来的发展方向，同时提出了在图像传感、光通信、中远红外探测等领域的应用前景。相关成果以“The Interaction between Quantum Dots and Graphene: The Applications in Graphene-Based Solar Cells and Photodetectors”为题发表于Adv. Funct. Mater.上。

本文介绍了将零维量子点与高迁移率的二维石墨烯相结合的异质结构用于光电探测和光电转换领域的研究进展。虽然石墨烯基太阳能电池和光电探测器已经取得了一系列的进展，但仍存在亟待解决的问题阻碍了这些器件大规模的商业应用，需要更多深入的研究来完全理解量子点增强石墨烯光电器件的物理机制。在未来的工作中，该领域仍存在很多挑战但也有很多机遇，如零维材料增强的具有高效光功率转换的柔性太阳能电池、通过结合不同二维材料而实现的高性能光电探测器、石墨烯光电探测器在弱光探测和光通讯器件领域的开发与应用、重掺半导体量子点增强的石墨烯中远红外光电探测器光电探测器、量子点敏化的石墨烯图像传感器以及其他基于量子点/-二维材料异质结构的应用。总之，量子点增强的石墨烯光电器件已经取得了许多进展和突破，必将带来相应领域的技术革新。

文献连接：The Interaction between Quantum Dots and Graphene: The Applications in Graphene‐Based Solar Cells and Photodetectors（Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201804712）

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主讲人：朱宏伟 教授
时间：2019年4月12日（星期五）上午10:00
地点：南京工业大学材料化学工程国家重点实验室大楼四楼中庭报告厅

主讲人介绍：清华大学材料学院教授、博士生导师。1993年考入清华大学，获学士和博士学位。在日本和美国从事博士后研究，2008年回清华大学任教至今。近年来主要从事以石墨烯为代表的低维材料多维多尺度可控合成及其在能源/环境/传感领域的应用基础研究。承担国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科技计划重大项目等30余项科研项目。获国家自然科学二等奖、教育部自然科学一/二等奖。获授权发明专利20余项，在Science, Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., Nano Lett., Energy Environ. Sci.等期刊上发表论文200余篇（h因子=63）。受邀撰写书章10余篇及《Graphene》、《石墨烯》、《碳纳米管》著作3部。

主要内容：石墨烯等二维材料在宏观应用中随着尺度（横向和纵向）的拓展，由于缺陷、杂质、表/界面等因素的影响，其结构对称性被打破而呈现多功能性。如何认识和充分利用二维表/界面的多功能行为是实现其宏观应用的关键问题之一。本报告结合课题组近年来在二维结构设计及光电材料、传感材料、膜材料等方面的研究进展，从“结构－组织－性能－应用”的内在关联出发，从“2D-on-Surfaces”模型入手，通过调控石墨烯与其它材料的界面相互作用，设计了“石墨烯/半导体”、“石墨烯/高分子”、“石墨烯/陶瓷”复合结构。揭示了石墨烯多功能光电作用机理，设计了基于二维/半导体异质结模型的光电结构，研制了高效太阳能电池和高灵敏光电探测器。提出了“滑动+裂化+回复”应变传感新机制，设计了一种基于石墨烯微片的传感结构，开发了面向柔性可穿戴应用的器件集成方法。提出了二维层片孔模型及分离膜孔隙的精确控制方法，研制了离子选择性吸附/分离膜材料。

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清华大学材料学院朱宏伟教授课题组采用化学气相沉积法，以铜锌合金为催化剂制备了表面具有均匀褶皱形貌的石墨烯薄膜，对其表面对水分特殊的响应及表面抗冰性能进行了研究，制备了透明电热膜除雾器及防冰涂层，展现了其在除雾抗冰领域的潜在应用。相关工作在线发表在Small（DOI: 10.1002/smll.201905945）上。

防冰涂层

该工作研究了褶皱石墨烯薄膜表面对水分特殊的响应机制，基于此制备了一种透明电热膜除雾器。该除雾器具有优异的除雾性能，在28 V的输入电压下仅需5 s即可将表面雾气除尽。经30次的除雾循环后，除雾时间无明显变化。该除雾器电阻对表面湿度具有敏感的响应，可实时监测除雾进程并调控输入电压。进一步研究了褶皱石墨烯的表面防冰性能，制备了一种防冰涂层，在-15 oC的低温下可延迟结冰1.25 h，在-10 oC的低温下可延迟结冰2.8 h。褶皱石墨烯有望应用于防雾玻璃、后视镜除雾和飞机表面除冰等场合。

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4月7日，清华大学材料学院朱宏伟教授团队在《先进材料》（Advanced Materials）上在线发表了题为“石墨烯体系中的阳离子-π相互作用”（Cation-π Interactions in Graphene Containing Systems for Water Treatment and Beyond）的长篇综述论文，系统总结了石墨烯体系中的阳离子-π相互作用在水处理（膜分离、吸附）、新材料合成、纳米发电、能量存储及溶液/复合材料分散等应用中所发挥的关键作用，分析了阳离子-π相互作用的影响机理，综述了现阶段相关理论工作进展，讨论了石墨烯体系中的阳离子-π相互作用研究中存在的问题，展望了未来潜在的研究方向。
阳离子-π相互作用是一种非共价相互作用，在自然界，尤其是生命体中普遍存在，在诸多生命反应进程中必不可少。近年来，阳离子-π相互作用在生物学、化学、物理学中的重要性被广泛关注。石墨烯是碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，可被视为一种独特的芳香族大分子。阳离子和石墨烯中离域π电子之间的相互作用会引起阳离子在石墨烯表面的富集、溶液中离子及石墨烯结构中电子的重新分布，进而影响石墨烯材料的本征性质及基于石墨烯的器件的性能。深入理解石墨烯体系中的阳离子-π相互作用，对于石墨烯特性的调控、器件的优化设计具有重要意义。

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石墨烯体系中的阳离子-π相互作用及其应用

近年来，朱宏伟教授团队在石墨烯等新型二维材料的可控制备、结构设计及其在能源（太阳能电池、光电探测、光电催化）、环境（水处理、空气净化、土壤治理）、柔性传感器件等领域开展了大量研究工作，取得了一系列重要进展。该综述论文以石墨烯体系中的阳离子-π相互作用为切入点，对相关研究报道进行了梳理和讨论，并对其发展趋势和前景进行了展望。
本文通讯作者为朱宏伟教授，第一作者为清华大学材料学院2016级博士生赵国珂。本研究得到国家自然科学基金委基础科学中心项目和面上项目资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201905756

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Pt基材料和Ru/Ir基材料分别是电催化析氢和析氧气反应（HER和OER）电催化的最佳催化剂，但是其昂贵的成本和极大的稀缺性限制了进一步的应用，因此需要开发低廉的非贵金属电催化剂来实现高效的电催化。硫化镍，尤其是Ni3S2在电化学全解水中展现出了独特的优势，因此受到了广泛的关注，但是其电化学活性仍然不高。为了进一步提升活性，元素掺杂是一种有效的策略。在各种掺杂金属中，Fe可以通过调控价态、增强电导率并优化氢/水吸附能来增强电催化性能。然而，大规模制备原位生长在高导电基底上的Fe掺杂Ni3S2结构的电催化材料仍然是十分挑战性的。

析氧气反应

        鉴于此，清华大学的朱宏伟教授课题组通过一步气相沉积法在三维Fe-Ni泡沫基底上原位构建了Fe掺杂Ni3S2纳米颗粒，所获得的电催化剂可以实现碱性电解质中的高效HER和OER电催化，并可以用于自支撑电极高性能催化电解水，为大规模制备全解水电催化剂提供了更低廉简便的方法。
        本文要点：
       1) 将三维Fe-Ni泡沫基底和硫粉同时加热，可以实现Fe掺杂Ni3S2纳米颗粒在导电基底上的原位生长，该制备方法主要得益于均匀的生长环境和气相沉积法独特的可扩展性。其独特的多孔结构可以提供更大的电化学活性面积，并增强活性位点的暴露，因此可以作为自支撑电极用于电催化反应。
       2) 在碱性电解质中将Fe掺杂Ni3S2纳米颗粒用于HER电催化时，在10 mA•cm−2的电流密度下的过电位为75 mV，Tafel斜率为103 mV•dec−1。在催化OER时，Fe掺杂Ni3S2的表面会原位转化为Ni-Fe羟基氢氧化物，因此在10 mA•cm−2的电流密度下展现出267 mV的低过电位和36 mV•dec−1的Tafel斜率。
       3) 根据实验和密度泛函理论计算的结果，Fe的掺杂有助于增加电化学活性表面积、增强电导率并优化Ni3S2（101）表面在HER电催化中对H和H2O的吸附能。其优异的稳定性主要得益于在导电基底上原位生长的纳米颗粒可确保活性催化剂与基地之间的紧密结合，并促进电荷传输并增加活性位点的数量。
       4) 将Fe掺杂Ni3S2纳米颗粒组装成全解水电解池，也可以获得非常优异的电解水活性和稳定性。
Min Wang, et al., A highly efficient Fe-doped Ni3S2 electrocatalyst for overall water splitting. Nano Res., doi: 10.1007/s12227-021-3416-5.