成會明院士最新工作及代表性成果一覽

成會明院士簡介

中國科學院院士

發展中國家科學院院士

成會明，炭材料科學家。1984年畢業於湖南大學獲學士學位，1987、1992年在中科院金屬研究所獲碩士和博士學位。主要從事碳納米管、石墨烯、其他二維材料、能量轉換和儲存材料等研究，提出了浮動催化劑化學氣相沉積、非金屬催化劑化學氣相沉積製備碳納米管等方法，促進了碳納米管的研究與應用。提出了模板導向化學氣相沉積等方法，製備出石墨烯三維網絡結構材料、毫米級單晶石墨烯，發展了石墨烯材料的宏量製備技術。提出了可高效儲能的層次孔材料設計和電化學電位調控的思路，製備出一系列新型能量轉化與儲存材料。研製出塊體各向同性熱解石墨材料，批量應用於多項重點工程。其研究成果多項被轉移轉化。他在國內外學術會議上做特邀報告180多次，是化學和材料兩個領域高被引科學家。曾獲國家自然科學二等獎兩項、國防科技進步二等獎一項、遼寧省自然科學一等獎四項、何梁何利科學與技術進步獎、美國Charles E. Pettinos獎、德國Felcht獎、美國ACS Nano講座獎等。曾任《Carbon》副主編、《新型炭材料》主編，現任《Energy Storage Materials》創刊主編、《Science China Materials》副主編。

最新文章及代表作一覽

一、Chemical Reviews綜述：用於先進電化學儲能器件的碳基纖維

該綜述總結了碳基纖維，特別是碳納米纖維、碳納米管基纖維和石墨烯基纖維的製備技術，以及改善其機械、電學和電化學性能的各種策略。重點介紹了基於這些碳基纖維的先進能量存儲器件的設計、組裝和潛在應用。最後，討論了碳基纖維在先進儲能器件應用中的挑戰和未來機遇。

Shaohua Chen, Ling Qiu, and Hui-Ming Cheng, Carbon-Based Fibers for Advanced Electrochemical Energy Storage Devices, Chem. Rev. 2020, 120, 2811−2878.

https://dx.doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00466

二、AFM綜述: 石墨烯及多孔石墨烯材料的化學及潛在應用

該綜述介紹了石墨烯和GO功能化的化學方法和途徑，以及多孔石墨烯材料（PGM）造孔的典型步驟、自組裝、剪裁機制，同時總結了精確控制孔形態和孔徑的方法。由於PGM具有獨特的孔結構、多樣的形態和優異的性能，因此成為能量存儲、電催化和分子分離等各種應用中的關鍵組分。最後，討論了PGM從探究化學自組裝到特定應用面臨的挑戰，並提出了潛在的解決方案。

Haibo Huang, Zhong-Shuai Wu,* and Hui-Ming Cheng*, The Chemistry and Promising Applications of Graphene and Porous Graphene Materials, Adv. Funct. Mater. 2020, 1909035

https://doi.org/10.1002/adfm.201909035

三、AM：超薄石墨烯納米片薄膜超高電磁幹擾屏蔽

該工作通過掃描離心鑄造方法高效合成高度取向一致的層壓Pristine graphene（PG）膜和類珍珠母的PG /聚合物複合材料，其中PG含量高達90 wt％。由於PG-納米片取向引起的高電導率和多種內部反射，此類膜在超低厚度下具有與報導的最佳合成材料MXene膜相當的超高EMI SE。此外，此類PG納米片基薄膜與MXene同類材料相比，具有更高的機械強度（最高145 MPa）和熱導率（最高190 W m-1 K-1）。這些優異的綜合性能以及易於批量生產的特性為PG納米片在EMI屏蔽中的實際應用鋪平了道路。

Qinwei Wei, Hui-Ming Cheng, and Wencai Ren*, Superhigh Electromagnetic Interference Shielding of Ultrathin Aligned Pristine Graphene Nanosheets Film, Adv. Mater. 2020, 1907411

https://doi.org/10.1002/adma.201907411

四、Nature Communications: 粒度工程控制石墨烯薄膜熱、電傳輸性質

探究晶界（GBs）對石墨烯薄膜的電和熱傳輸性能的影響對於電子、光電和熱電應用至關重要。該工作報導了一種分離吸附化學氣相沉積法，在具有中等碳溶解度的Pt基底上製備得到了高質量單層石墨烯薄膜，晶粒尺寸從200 nm到~1 um可控。該工作確定了石墨烯薄膜熱導率和電導率隨晶粒尺寸的變化規律，發現石墨烯薄膜的熱導率隨著晶粒尺寸的減小（通過較小的熱邊界）而急劇降低。而且，隨著晶粒尺寸的變化，熱導率和電導率的變化都大於典型的半導體熱電材料的變化。

Teng Ma, Hui-Ming Cheng, Wencai Ren, Tailoring the thermal and electrical transport properties of graphene films by grain size engineering, Nature Communications, 2017, 8:14486.

https://www.nature.com/articles/ncomms14486

五、PNAS: 超快充放電速率的柔性石墨烯基鋰離子電池

該工作報導了一種超薄、輕質、柔性的鋰離子電池，採用柔性、導電的三維石墨烯泡沫作集流體，分別負載LiFePO4和Li4Ti5O12作為正、負極，無需使用金屬集流體、導電劑與粘結劑。混合電極極好的電導率和孔結構可實現快速的電子和離子傳輸。如Li4Ti5O12 /石墨烯泡沫電極顯示出200 C的高倍率，相當於18 s內完全放電。該輕薄、柔性的鋰離子全電池具有優異的倍率性能和較高的能量密度，可以反覆彎曲至5 mm的半徑角度而發生結構破壞和性能損失。

Na Li, Feng Li, and Hui-Ming Cheng, Flexible graphene-based lithium ion batteries with ultrafast charge and discharge rates, PNAS, 2012, 17360-17365.

https://www.pnas.org/content/109/43/17360

六、JACS: 半導體和金屬特性單壁碳納米管的可控生長

單壁碳納米管（SWCNT）既可以具有半導體特性也可以具有金屬特性，主要取決於它們的手性角度和直徑。由於製得的SWCNT通常是半導體和金屬的混合物，長期以來SWCNT在電子產品中的使用一直受到阻礙。因此，近些年對碳納米管的研究主要集中在均勻電類型甚至預定手性的SWCNT的可控合成。本工作總結了通過原位選擇性刻蝕和新型催化劑設計可控生長半導體和金屬SWCNT的最新進展，詳細分析了這些方法的優勢和機制，並討論了面臨的挑戰。最後，預測了SWCNTs的可控合成和應用中可能的突破和未來發展趨勢。

Bing Yu, Hui-Ming Cheng*, Controlled Growth of Semiconducting and Metallic Single-Wall Carbon Nanotubes, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 5232–5235

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja2008278

七、 JACS: 氧氣輔助浮動催化化學氣相沉積法批量合成大直徑半導體單壁碳納米管

該工作通過氧氣輔助的浮動催化化學氣相沉積法大規模合成了平均直徑為1.6 nm的半導體單壁碳納米管（s-SWCNT）。引入的氧氣可以選擇性地原位腐蝕金屬特性的SWCNT，而硫生長促進劑則可以促進大直徑SWCNT的生長。測試表徵發現樣品中s-SWCNT的含量對引入的氧氣量高度敏感。在最佳合成條件下，每批可以獲得毫克級的s-SWCNT。

Bing Yu, Hui-Ming Cheng*, Bulk Synthesis of Large Diameter Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes by Oxygen-Assisted Floating Catalyst Chemical Vapor Deposition, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 5232–5235

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja2008278

八、JACS: 無金屬催化劑生長碳納米管

該工作通過無金屬催化劑的CVD工藝在SiO2膜上生長單壁碳納米管，獲得了無金屬緻密的SWNT；同時開發了無金屬催化劑的「劃痕生長」方法來實現SWNT的圖案化生長。本工作為深入了解單壁碳納米管的生長機理提供了啟示，從而有利於碳納米管的可控合成和應用。

Bilu Liu, Wencai Ren,* Hui-Ming Cheng*, Metal-Catalyst-Free Growth of Single-Walled Carbon Nanotubes, J. Am. Chem. Soc.2009, 131, 2082–2083

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja8093907

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