“石墨烯微结构的精准调控及其应用”首次实现石墨烯单晶量子点和单层石墨烯微结构的精准控制。 一、项目分类 重大科学前沿创新 二、成果简介 近年来，石墨烯领域未获得突破性应用成果，也未找到“杀手锏”应用领域，关键是石墨烯结构调控不到位。一个基本的共识是，对石墨烯材料的结构进行设计和调控，有助于在光电器件、能源转化存储、重大疾病诊疗、污染物治理等领域取得重大突破。上海大学吴明红院士领衔的研究团队聚焦“石墨烯微结构的精准调控及其应用”取得了开创性的研究成果，首次实现石墨烯单晶量子点和单层石墨烯微结构的精准控制，在Nature及其子刊上发表十余篇系列论文，获得国家自然科学二等奖。负责人吴明红是中国工程院院士、俄罗斯工程院和俄罗斯科学院外籍院士，获国家杰出青年基金、教育部长江学者及创新团队发展计划等支持。团队依托有机复合污染控制工程教育部重点实验室，推动基础科研成果向应用转化，在生物医学、环境治理等领域取得了相关应用突破。 一、主要理论突破 聚焦于研究主题，团队在以下三个方面取得重要突破： 1）为解决传统方法制备的石墨烯缺陷多，无法量产的问题，团队在分子水平上首次使用分子融合法实现了高品质单晶石墨烯量子点的可控制备。通过对单晶石墨烯量子点精准的物理化学性质调控实现了不同亚细胞器的定位，有力推动了石墨烯量子点在生物成像、重大疾病诊疗中的应用。 2）为解决单层石墨烯容易聚集的难题，团队通过“原位复合与还原”一步法调控策略，获得单层石墨烯复合催化材料。团队首次在该材料上观测到光生电子空穴对分离的皮秒级超快过程，发现并揭示了单层石墨烯高效抽取和快速传输光电子这一重要规律，为高质量单层石墨烯复合材料在催化等领域的广泛应用奠定了坚实的理论基础。 3）精确调节石墨烯层间距，可以将石墨烯有针对性地应用于离子筛分、污染物选择性吸附等广泛领域。团队通过金属水合离子的层间插入控制氧化石墨烯层间距，在国际上首次实现了层间距在超小尺度上（1 Å）的精确控制。 二、在黑臭水体治理、地表水水质提升上的应用 地表水内源污染治理的关键是削减河道污染负荷，重建水生生态。团队以层间距可控石墨烯为基质，发展了水环境污染生态修复的叠层材料。以石墨烯为基体的复合微生物在其表面生长并形成生物膜，通过石墨烯和生物膜的协同作用，对水体污染物进行高效截留、吸附并降解。该复合技术运行成本低，治理周期短，工艺简单，无需底泥疏浚即可将地表水提升至IV类水以上水质指标，对河水的COD、氨氮和总磷，去除率达到80%以上。目前，团队已与上海宝山区政府建立多个石墨烯治理黑臭水体示范基地，显著提升当地水质环境水平。 三、石墨烯负极材料的钠离子电池储能系统应用 锂资源的匮乏，不足以支撑锂离子电池在储能市场的广泛应用，其成本较高的弊端也逐渐显露。同时国内外化学储能市场需求越来越大，促使研究者们利用资源丰富的钠元素组装得到钠离子电池。 经过对钠离子电池材料体系筛选和研究，本团队核心材料选用普鲁士蓝及其类似物作为钠离子电池正极，碳基材料作为钠离子电池负极。其中普鲁士蓝制备主要采用沉淀法及水热法，能耗更低。此外，普鲁士蓝能够作为一种染料进行使用，其安全性非常高。经过一系列放大，正极普鲁士蓝材料的充放电比容量达到160 mAh/g，碳负极材料的充放电比容量达到300 mAh/g。经过中试线生产预制，单体电池工作电压在3.2 V左右，能量密度在100 Wh/kg以上。单体电池在穿刺、挤压、外部短路、及破坏后浸水测试的情况下，均没有发生自燃和爆炸等情况，安全性高。 目前，拟搭建5条钠离子电池储能全自动生产线及相关配套设施，研发生产低成本、高安全、长寿命钠离子电池关键材料，实现高性能钠离子电池产品产业化，预计至2026年项目达产后，年产值达约22.5亿元；年亩均产值1666万元。 四、石墨烯传感材料在呼吸式血糖仪中的应用 我国糖尿病人数众多，并逐年上升。血糖检测仪与检测试纸市场规模约为460亿元，然而国外品牌却占市场份额大半。现有血糖仪采取长期有创刺血检测，存在很大感染风险，给病友带来巨大的生理和心理上的痛苦。呼吸式血糖检测无创，吹气即可检测，完美解决市场痛点。 糖尿病患者呼吸的气体中，可检测的VOCs较异常，需要高灵敏度的气体传感器进行识别。但是，常规气敏传感材料检测限与响应恢复能力不足，且难以在复杂气体氛围中实现特异性检测。团队通过对石墨烯带隙和表界面特性的精确调控，实现皮秒级载流子空穴的形成，从而实现对气体分子的快速响应，解决气体传感器灵敏度、选择性和响应恢复迅速的关键科学问题。研发的呼吸式血糖仪可满足确诊病友的日常检查、实现医院、公共场所快速筛查、手机APP记录管理以及网上专家互动诊断等功能，具有无创伤、无痛苦、便捷即时（15s）等特点，是首款呼吸式血糖检测产品。目前已二类医疗器械证书，即将已进入临床阶段。

仪器概述 本仪器是基于【铂金圆环法原理】实现精确液体的表面张力值的测量，广泛应用在化工、石油、电力、科研、铁路等行业。铂金圆环法原理： 铂金环法是一种传统的测试方法，它是用直径0.37mm的铂金丝做成周长为60mm的环。测试时先将铂金环浸入液面(或二种不相混合的界面)下2-3mm，然后再慢慢将铂金环向上提，环与液面会形成一个膜。膜对铂金环会有一个向下拉的力，测量整个铂金环上提过程中膜对环的所作用的最大力值，再换算成真正的表面(界面)张力值。 技术参数 1、显示方式：240x128点阵中文液晶屏 2、测量方式：铂金圆环法原理 3、铂金环半径：r9.55 铂丝r0.3 4、测量范围：0-200mn/m 5、灵 敏 度：0.1mn/m 6、准 确 度：±0.1mn/m 7、自检功能：故障自动诊断 8、温度补偿：自动温度补偿 9、外形尺寸：240×190×350mm 性能特点 1、液晶屏显示，中文提示菜单操作，自动升降，平稳性好。 2.、具有25℃自动温度补偿功能，解决了温度对所测张力值的影响。 3、仪器自动调零、自动测定、计算、显示实验结果，具有掉电存储功能。 4、使用磁罐封闭式传感器，采用等间隔多点标定，提高了测量结果的重复性和再现性。   网址链接 http://www.csscyq.com/proshow.asp?id=777

报废机械零件的剩余强度和剩余寿命评价和预测。 

电镀作为金属材料的表面改性技术已经取得了很广泛的应用，近年来电镀也开始在非金属导电材料的表面改性领域取得相当规模的工业应用。但高电阻率氧化物材料表面金属镀覆一直以来不能采用电镀工艺，这是因为这类材料的电子电导小，电镀液中被镀金属离子不能从材料表面得到电子，所以不能沉积下来。传统的绝缘氧化物材料表面镀覆金属的方法有化学镀、真空蒸镀、溅射镀、涂覆金属浆料后再烧结等方法，各方法都有各自的优缺点。如含有氨水的化学镀银溶液不稳定，甚至有可能生成有爆炸危险的叠氮化合物。真空蒸镀和溅射镀有设备投资大、维护费用较高等缺点，涂覆金属浆料后再烧结的方法有金属层厚度不均匀等缺点。 我们发明了一种高电阻率金属氧化物材料表面电镀的技术，解决了多种高电阻率金属氧化物材料表面不能电镀的问题。高电阻率金属氧化物材料电镀的基本过程是首先对氧化物材料表面进行原子氢致电导改性处理，提高其表面电子电导，使材料表面出现半导化甚至金属化，然后在氧化物材料表面直接电镀金属层。我们在这个方向上已经进行了近十年的研究，发表了十几篇学术论文，申请了两项发明专利。      本技术适用于由氧化物功能材料制造的电子元器件表面电镀，也适用于氧化物材料颗粒或块体的电镀等，所得金属镀层厚度均匀，与氧化物材料表面具有良好的结合力。

金属表面镀铬、镀镍能耗高，镀液处理成本高，环境污染严重。微合金化耐磨蚀技术，表面硬度达到镀硬铬要求，耐蚀性能优镀铬镀镍处理，生产过程绿色无污染，批量工业化生产具有显著的经济效益和社会效益。 微合金表面处理技术”是在金属表面纳米化、稀土助渗和低温渗氮/碳/金属技术的基础上自主创新发展而来的表面强化技术，通过氮、碳、硼等间隙原子及稀土、钽、钛、钨、钼、硅等微量合金元素的协同复合渗入，在钢铁零件表面形成具有精细微观结构的复合层，大大提高耐蚀性和耐磨性，解决了传统氮化存在的氮化层晶间脆化、不耐高温等缺点。

提高金属表面耐磨耐蚀的双辉渗金属技术是由太原理工大学和北京科技大学联合研制开发的基于提高合金表面耐磨耐蚀的一种新型的表面改型技术。该技术于1985年获得美国专利，而后技术发明人徐重教授又对该项技术进行了系统的研究和进一步完善。双层辉光渗金属技术是等离子表面冶金新技术，其基本原理是利用低真空条件下的气体辉光放电所产生的等离子体，使普通材料表面形成具有特殊物理化学性质的合金层，合金层中合金元素含量可以在百分之几到百分之九十以上的范围内变化，合金层厚度可以达到数百微米，如在普通钢表面形成高速钢、不锈钢和镍基超合金等。由于双层辉光渗金属技术是低温等离子技术与传统渗金属技术的有机结合，渗层是依靠扩散方法形成的，合金元素在表面与基体之间成梯度分布，渗层与基体之间是靠形成合金结合起来的，因此结合非常牢固，渗层不易脱落，这是金属涂镀技术所不及的突出优点。由此，该项技术开创了表面冶金新领域，具有广阔的市场应用前景。 本项目的研究和研制开发工作是在国家“863”计划资助下完成的。 可以通过不同的源极设计，利用双辉渗金属技术对材料进行表面改性，可以按用途不同分别获得提高材料表面耐磨、耐蚀、以及耐磨耐蚀的材料。如采用该技术在普通碳钢锯条上沿齿廓形成性能接近高速钢的合金表面层，其综合性能可以与当今世界先进工业国家锯切工业中广泛应用的双金属锯条相媲美。

可以量产/n本成果借助大型热力学和动力学计算软件Thermo-calc&Dictra，在H13钢基础通过优化合金成分并添加微量的铌，在保持H13钢原有优异性能的前提下，改善H13钢的热疲劳性能，从而开发出一种新型优质的汽车用热作模具钢HG1钢。同时结合表面处理新工艺，将新材料应用在汽车发动机气门成型模具和汽车方向机凸轮轴成型模具，显著提高其使用寿命。该钢种主要应用在有色金属压铸模、热挤压模和小型热锻模，用于取代H13钢和3Cr2W8V钢。主要技术指标：（1）HG1钢在相同实验条件下具有比H1

金属表面化学转化是一种在溶液中发生化学与电化学反应形成与基体结合 牢固的磷酸盐化学转化膜的过程，所形成的磷酸盐转化膜称之为磷化膜。目的 是：给基体金属提供保护，赋予耐磨耐蚀性能；用于涂装底层，提高附着力与 防腐蚀能力；在金属冷加工工艺中起减摩润滑使用；改变表面光学性质等。 转化膜在普通钢铁材料表面已经多年发展，应用较为成熟。本技术已实现 难转化金属及合金表面的成膜，如钛与钛合金、不锈钢、镁合金等，解决军工 行业所使用优质合金材料表面防护的难转化问题。由于其与基底结合牢固及组 分与性能的可控性，当前已在国际上引起关注。

铝及铝合金材料在建筑、化学化工、航空航天、机械电子、交通运输等领 域具有广泛应用，但是表面易发生各种腐蚀，严重影响其使用性能、寿命和外 观形貌，所以在使用之前必须对其表面进行防腐处理。目前应用最为广泛的是 六价铬酸盐处理技术，但六价铬酸盐具有强致癌性，对环境已经造成了非常严 重的污染，任其发展后患无穷。2003 年 2 月 13 日，欧盟发布了 “报废电子电 气设备指令”和“关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令”，我国 也相继出台各项政策对致癌化合物六价铬以及三价铬（铬酸盐）实行限量使用， 使得铬酸盐在金属处理中的使用最终将被禁止。我国也即将出版《铝合金无铬 化学转化预处理膜》行业标准，促进行业向无铬化方向发展。因此寻求一种价 格低廉、环境友好、无铬化并且耐蚀性能优于铬酸盐的材料及生产工艺成为目 前研究及实际生产应用的热点和难点，完全实现无铬化处理将造福千秋万代。 有机硅烷膜是目前最有希望和最具市场前景的完全替代铬酸盐的材料。有 机硅烷膜是采用硅烷偶联剂为主要成分，通过控制其水解聚合，在铝合金表面 形成硅烷转化膜。硅烷表面处理后，外面的基团不仅具有较强的疏水性，还与 有机涂层具有较强的结合力。硅烷膜的机械强度较高而且其表面疏水性阻碍腐 蚀介质扩散到铝及铝合金基体，可有效提高其防腐性能，耐蚀性能优于铬酸盐。 但单纯的硅烷膜在硅烷/金属界面结合强度较弱。目前主要多以具有多种功能基 团的复杂结构硅烷偶联剂作为原材料，价格昂贵，性价比低，不适于实际生产 应用。 针对现有技术的不足，我们提供了一种性能优于铬酸盐、价格低廉、可规 模化生产、制备工艺简单的有机-无机杂化无铬环保型铝表面处理剂。

由于超颖表面具有在极短距离内，以亚波长分辨率对出射光的波前进行任意调控的能力，使得它有望成为传统光学元件的替代品。超颖表面体积小、重量轻、具有丰富设计自由度的特点能够大大简化传统光场调控装置的体积以及复杂度。近些年来，项目组在超颖表面的光束整形与偏振调控领域做出了许多有意义的工作。通过将达曼光栅原理与超颖表面相结合实现了三维涡旋阵列以及贝塞尔光束阵列的产生。利用相变材料、Ω形天线以及介质纳米柱结构实现了对出射光束偏振态的调控，并将其应用于矢量光束的产生之中。同时，基于超颖表面对出射光的复振幅调制实现了近场表面等离激元的操控以及远场衍射级次的选择性激发。 基于光学超颖表面的光束整形与偏振调控技术具有体积小、重量轻的优点，能够解决传统光场调控装置体积较大、复杂度较高的缺点。同时，不同种类超颖原子所提供的丰富设计自由度以及多种波前调控工作机理，为超颖表面对出射光的振幅、相位、偏振、频率以及多物理量的灵活调控提供了保障，丰富了实现光场调控的手段。该技术有望在激光加工、光通信、粒子捕获，超分辨成像、信息存储以及光学防伪和加密等应用之中。