北京石墨烯研究院｜bgi-graphene
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石英纤维，凭借其轻质高强、化学性质稳定的特点广泛应用于各种结构增强材料。将石英玻璃纤维金属化或与其他导电材料复合可提升纤维导电、导热特性，进而拓展石英纤维在柔性传感、高功率散热、电磁屏蔽等诸多领域的应用。然而，纤维表面金属化的过程会导致纤维柔性降低和严重的金属污染问题。因此，开发一种可批量化制备柔性、高导电性石英纤维的新方法是本领域亟待解决的问题之一。

最近，北京大学、北京石墨烯研究院刘忠范院士团队，将石墨烯与石英纤维相融合，提出了一种批量化制备石墨烯石英纤维的强制流化学气相沉积生长方法。获得了兼顾石墨烯优异导电性和石英纤维高机械性能的石墨烯石英纤维，实现了易燃有机气体的高灵敏度实时在线监测。在此基础上，研制了基于石墨烯石英纤维的面电阻均匀可调的纤维织物，成功实现了接近1000 °C高温的工业电加热器件构筑。相关成果以“Massive Growth of Graphene Quartz Fiber as a Multifunctional Electrode”为题发表在国际知名期刊ACS Nano（2020,14,doi:10.1021/acsnano.0c01298）上。

本研究工作中，通过内部缠绕有石英纤维的同轴套管构造限域空间，实现了基于强制流的低压化学气相沉积（Forced-flow CVD）生长条件。通过反应压强和体系中碳氢比的控制，显著增加了碳物种碰撞、反应的机率，在石英纤维表面实现了1-2层石墨烯的均匀包覆（图1），最终研制出可批量化生产的石墨烯石英纤维。

图1 石墨烯玻璃纤维的强制流化学气相沉积法制备

在应用研究方面，利用柔性导电的石墨烯石英纤维制备了有机气体仿生传感器，装配有该传感器的机器小车表现出高的灵敏度、较快的响应时间（<0.5s）和高循环稳定性（>5000次循环）。此外，研究发现由石墨烯玻璃纤维编织成的织物具有较高的电热转换效率（>90%），可实现宽温区（55-980°C）、快速升温（<15s）的高温电加热效果（图2）。

图2 柔性石英纤维织物用于高温电加热

该研究不仅为石墨烯新材料的开发提供了新思路同时将传统基础材料和石墨烯材料有机结合，有力推动了石墨烯石英纤维的工业化生产和商业应用。

北京大学崔光博士后、程熠博士生和刘灿博士后为本文的共同第一作者，刘忠范院士、刘开辉研究员和河南大学陈珂教授为本文的共同通讯作者。上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然基金、北京石墨烯专项计划等项目的支持。

人物简介
刘忠范，北京大学博雅讲席教授，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，中组部首批万人计划杰出人才，教育部首批长江学者特聘教授，首批国家杰出青年科学基金获得者。英国物理学会会士，英国皇家化学会会士，中国微米纳米技术学会会士。1983年毕业于长春工业大学，1984年留学日本，1990年获东京大学博士，1990–1993年东京大学和国立分子科学研究所博士后。1993年6月回北京大学任教，同年晋升教授。

现任北京石墨烯研究院院长、北京大学纳米科学与技术研究中心主任。中国化学会副理事长、中国国际科技促进会副会长、中关村石墨烯产业联盟理事长、中关村科技园区丰台园科协第三届委员会主席、教育部科技委委员及学风建设委员会副主任和国际合作学部副主任。曾任北京大学现代物理化学研究中心主任(1995–2002)，物理化学研究所所长(2006–2014)，北京市科委挂职副主任（2016–2017），北京市低维碳材料工程中心主任（2013–2018），国家攀登计划(B)、973计划和纳米重大研究计划项目首席科学家，国家自然科学基金“表界面纳米工程学”创新研究群体学术带头人(三期)等。

主要从事纳米碳材料、二维原子晶体材料和纳米化学研究，在石墨烯、碳纳米管的化学气相沉积生长方法及其应用领域做出了一系列开拓性和引领性工作，是国际上具有代表性的纳米碳材料研究团队之一。发表学术论文560余篇，申请中国发明专利100余项。近年来致力于推进石墨烯的产业化核心技术研发工作并不断取得重要突破，发明了超级石墨烯玻璃、超洁净石墨烯、烯碳光纤、石墨烯玻璃纤维、石墨烯光化学能带工程等一系列新概念和新技术，推动了石墨烯领域的快速发展。在早期工作中，还建立了基于扫描探针显微技术的针尖化学研究方法和超高密度光电化学信息存储方法，率先将有机小分子自组装技术引入准一维碳纳米管研究领域，建立了单壁碳纳米管的有序自组装方法等。

获日中科技交流协会“有山兼孝纪念研究奖”(1992)、香港求是科技基金会杰出青年学者奖(1997)、中国分析测试协会科学技术奖一等奖(2005)、教育部高等学校科学技术奖自然科学一等奖(2007)、国家自然科学二等奖(2008, 2017)、中国化学会-阿克苏诺贝尔化学奖(2012)、宝钢优秀教师特等奖(2012)、日本化学会胶体与界面化学年会Lectureship Award(2016)、北京大学方正教师特别奖(2016)、“北京市优秀教师”(2017)、ACS Nano LectureshipAward(2018)等。

现任“物理化学学报”主编、“科学通报”副主编，Adv. Mater.、ACS Nano、Small、Nano Res.、ChemNanoMat、APL Mater.、National Science Review等国际期刊编委或顾问编委。

第十二届全国人大代表，第十三届全国政协常委，北京市政协副主席。九三学社第十四届中央委员会副主席，九三学社北京市第十三届委员会主任委员。