近代仪器分析作业

聚合物近代仪器分析作业

[1] Berman D, Deshmukh S A, Sankaranarayanan S K R S, et al. Macroscale superlubricity enabled by graphene nanoscroll formation[J]. Science, 2015, 348(6239): 1118-1122.

Science 2014年影响因子IF：33.611

文章主要研究内容：

1. 将石墨烯与纳米金刚石粒子及类金刚石碳（DLC）结合，得到超润滑体系。体系通过石墨烯碎片将纳米金刚石粒子进行包裹进而形成纳米辊，以此减小与DLC的接触面积，实现非对称接触，显著减小了摩擦系数（~0.004）。

2. 利用原子模拟阐述了整个体系的机理，并在介观尺度上进行分子动力学的模拟，从而将纳米尺度上阐述的机理与宏观实验结果联系统一起来。

实验表征节选：

1. 摩擦实验：Fig.1b, 1d为利用球-盘接触式CSM摩擦计测量不同实验条件下的摩擦系数。Fig.1b从宏观尺度上证明在干燥环境中石墨烯+纳米金刚石与DLC 之间的摩擦系数最小，达0.004，属于超润滑体系；Fig.1d表明在潮湿环境（相对湿度~30%）下体系的摩擦系数会大大增大。

2. 平板划痕照片：Fig.1c, 1e为利用Olympus UC30显微镜观察经石墨烯+纳米金刚石处理后的平板经摩擦测试后的表面。Fig.1c显示干燥环境中体系经摩擦测试后表面几乎没有可见划痕；Fig.1e则显示潮湿环境（相对湿度~30%）中划痕明显且较宽。

3. 石墨烯片层与磨损产物的表征：Fig.1c, 1e中左上插入图为利用Invia共焦显微拉曼光谱仪对划痕处检测得到的拉曼光谱图。Fig.1c中的拉曼光谱显示相比

于未进行摩擦测试的体系谱图，石墨烯的2D峰（~2600 cm-1）出现下降而D峰（~1330 cm-1）上升，说明在高接触压力下（0.3 GPa）的连续滑动使得石墨烯薄层的结晶性逐渐降低且缺陷增多。同时还未发现划痕中有DLC的转移。Fig.1e中的拉曼光谱显示潮湿环境（相对湿度~30%）测试后的划痕中出现了DLC和大量的石墨化碳的特征峰。关于潮湿环境下体系摩擦测试结果的原因则会在文章中做进一步研究。

4. 石墨烯纳米辊的形貌表征1：Fig. 2为利用JEOL JEM-2100F透射电子显微镜（TEM）对磨损产物进行观察所看到的石墨烯与纳米金刚石所形成的结构。经测量，金刚石的晶格间距为0.206+/-0.004 nm，石墨烯为0.362+/-0.014 nm，略大于石墨中石墨烯的间距（0.335 nm），进一步表明石墨烯纳米辊结合作用并不强的性质。

5. 石墨烯纳米辊的形貌表征2：Fig. 2中左边插图为利用电子能量损失谱（EELS）对磨损产物进行表征。Fig. 2a结果显示谱图中出现金刚石的特征信号峰，而出现在碳原子K-edge（原子K层电子的结合能）处的π*峰（~285 eV）代表一小部分sp2轨道的碳原子的存在，而这些碳原子就是包裹着纳米金刚石的石墨烯薄层。对于不含纳米金刚石的石墨烯辊而言π*峰会更高（Fig. 2b）。

[2] Surwade S P, Smirnov S N, Vlassiouk I V, et al. Water desalination using nanoporous single-layer graphene[J]. Nature nanotechnology, 2015, 10(5): 459-464. Nature nanotechnology 2014年影响因子IF：34.048

文章主要研究内容：

1. 制备单层多空石墨烯材料用于海水淡化膜。通过氧等离子体对单层石墨烯进行刻蚀得到纳米尺寸可调的小孔，制得的膜材料对盐类的过滤几乎达到100%且能让水快速通过。

2. 对石墨烯膜材料用于海水淡化的机理进行了研究，认为该膜可能也适用于蒸馏和反渗透。

实验表征节选：

1. 单层石墨烯形貌表征：Fig. 1a为利用扫描电子显微镜（SEM）观察覆盖在5 μm小孔（在SiN上钻得）上方的单层石墨烯的形貌。结果显示石墨烯完整且无可见的破裂或撕裂的痕迹。

2. 单层石墨烯质量的确定及缺陷的测量：Fig. 1b为利用拉曼光谱对覆盖在5 μm小孔上方的石墨烯是否为无缺陷单层进行了确定并对经氧等离子体刻蚀后的石墨烯的缺陷进行了测量。结果显示未处理的石墨烯在~1580 cm-1处有明显的强峰：G峰，且没有出现代表缺陷的D峰（1350 cm-1）；而几乎有G峰强度3倍的2D 峰（2700 cm-1），其线宽< 30 cm-1（洛伦兹线型），证明石墨烯是单层的。随着氧等离子体刻蚀时间的增加，D峰逐渐升高，2D峰逐渐消失，且D、G峰逐渐变宽，类似于无序碳材料，表明缺陷在逐渐增多，因此可以用I D/I G来量化表示缺陷的多少。

3. 多孔石墨烯的形貌表征：Fig. 3a, b为利用含像差校正的透射电镜（STEM）观察经1.5 s刻蚀处理的石墨烯的形貌。基于中等角度环形暗场（MAADF）的STEM 图像得到膜的孔径为0.5−1 nm（I D/I G ≈ 1），是既能阻止离子通过，又能让水分子通过的理想孔径。Fig. 3b显示小部分孔洞边界是碳原子，而Fig. 3a显示大部分不是，图中孔洞边缘明亮的部分是硅原子，可能是在氧等离子体进行刻蚀时与孔洞边缘的活性位点进行了结合，这些硅原子钝化了孔洞边缘的悬空碳键，提高了孔洞的稳定性。

4. 石墨烯膜材料的组成和键接方式的表征：Supplementary Fig. 9为利用PHI 3056 XPS得到了石墨烯膜材料的C 1s谱图。结果显示SiN作为石墨烯的承载体出现在了谱图中，表明石墨烯的厚度小于2 nm；而Si是否在石墨烯片层内则无法确定。所有样品都不同程度的含有的C−O，这取决于对样品的处理，C−C在284.8 eV。Supplementary Fig. 9左下显示相比于经氧等离子体刻蚀的样品，纯石墨烯的碳表面仅有极少量的C−O键，说明石墨烯片层的纯度很高。上方和右中的图表明在286附近的出现明显的强度，这是由于经氧等离子体刻蚀后大量形成的C−O键的出现。经氧等离子处理/退火后出现了O-C=O键，以PMMA（289 eV）为标准相比，其结合能略高（289.5 eV）。