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“石墨烯微結構的精準調控及其應用”首次實現石墨烯單晶量子點和單層石墨烯微結構的精準控制。 一、項目分類 重大科學前沿創新 二、成果簡介 近年來，石墨烯領域未獲得突破性應用成果，也未找到“殺手锏”應用領域，關鍵是石墨烯結構調控不到位。一個基本的共識是，對石墨烯材料的結構進行設計和調控，有助于在光電器件、能源轉化存儲、重大疾病診療、污染物治理等領域取得重大突破。上海大學吳明紅院士領銜的研究團隊聚焦“石墨烯微結構的精準調控及其應用”取得了開創性的研究成果，首次實現石墨烯單晶量子點和單層石墨烯微結構的精準控制，在Nature及其子刊上發表十余篇系列論文，獲得國家自然科學二等獎。負責人吳明紅是中國工程院院士、俄羅斯工程院和俄羅斯科學院外籍院士，獲國家杰出青年基金、教育部長江學者及創新團隊發展計劃等支持。團隊依托有機復合污染控制工程教育部重點實驗室，推動基礎科研成果向應用轉化，在生物醫學、環境治理等領域取得了相關應用突破。 一、主要理論突破 聚焦于研究主題，團隊在以下三個方面取得重要突破： 1）為解決傳統方法制備的石墨烯缺陷多，無法量產的問題，團隊在分子水平上首次使用分子融合法實現了高品質單晶石墨烯量子點的可控制備。通過對單晶石墨烯量子點精準的物理化學性質調控實現了不同亞細胞器的定位，有力推動了石墨烯量子點在生物成像、重大疾病診療中的應用。 2）為解決單層石墨烯容易聚集的難題，團隊通過“原位復合與還原”一步法調控策略，獲得單層石墨烯復合催化材料。團隊首次在該材料上觀測到光生電子空穴對分離的皮秒級超快過程，發現并揭示了單層石墨烯高效抽取和快速傳輸光電子這一重要規律，為高質量單層石墨烯復合材料在催化等領域的廣泛應用奠定了堅實的理論基礎。 3）精確調節石墨烯層間距，可以將石墨烯有針對性地應用于離子篩分、污染物選擇性吸附等廣泛領域。團隊通過金屬水合離子的層間插入控制氧化石墨烯層間距，在國際上首次實現了層間距在超小尺度上（1 Å）的精確控制。 二、在黑臭水體治理、地表水水質提升上的應用 地表水內源污染治理的關鍵是削減河道污染負荷，重建水生生態。團隊以層間距可控石墨烯為基質，發展了水環境污染生態修復的疊層材料。以石墨烯為基體的復合微生物在其表面生長并形成生物膜，通過石墨烯和生物膜的協同作用，對水體污染物進行高效截留、吸附并降解。該復合技術運行成本低，治理周期短，工藝簡單，無需底泥疏浚即可將地表水提升至IV類水以上水質指標，對河水的COD、氨氮和總磷，去除率達到80%以上。目前，團隊已與上海寶山區政府建立多個石墨烯治理黑臭水體示范基地，顯著提升當地水質環境水平。 三、石墨烯負極材料的鈉離子電池儲能系統應用 鋰資源的匱乏，不足以支撐鋰離子電池在儲能市場的廣泛應用，其成本較高的弊端也逐漸顯露。同時國內外化學儲能市場需求越來越大，促使研究者們利用資源豐富的鈉元素組裝得到鈉離子電池。 經過對鈉離子電池材料體系篩選和研究，本團隊核心材料選用普魯士藍及其類似物作為鈉離子電池正極，碳基材料作為鈉離子電池負極。其中普魯士藍制備主要采用沉淀法及水熱法，能耗更低。此外，普魯士藍能夠作為一種染料進行使用，其安全性非常高。經過一系列放大，正極普魯士藍材料的充放電比容量達到160 mAh/g，碳負極材料的充放電比容量達到300 mAh/g。經過中試線生產預制，單體電池工作電壓在3.2 V左右，能量密度在100 Wh/kg以上。單體電池在穿刺、擠壓、外部短路、及破壞后浸水測試的情況下，均沒有發生自燃和爆炸等情況，安全性高。 目前，擬搭建5條鈉離子電池儲能全自動生產線及相關配套設施，研發生產低成本、高安全、長壽命鈉離子電池關鍵材料，實現高性能鈉離子電池產品產業化，預計至2026年項目達產后，年產值達約22.5億元；年畝均產值1666萬元。 四、石墨烯傳感材料在呼吸式血糖儀中的應用 我國糖尿病人數眾多，并逐年上升。血糖檢測儀與檢測試紙市場規模約為460億元，然而國外品牌卻占市場份額大半。現有血糖儀采取長期有創刺血檢測，存在很大感染風險，給病友帶來巨大的生理和心理上的痛苦。呼吸式血糖檢測無創，吹氣即可檢測，完美解決市場痛點。 糖尿病患者呼吸的氣體中，可檢測的VOCs較異常，需要高靈敏度的氣體傳感器進行識別。但是，常規氣敏傳感材料檢測限與響應恢復能力不足，且難以在復雜氣體氛圍中實現特異性檢測。團隊通過對石墨烯帶隙和表界面特性的精確調控，實現皮秒級載流子空穴的形成，從而實現對氣體分子的快速響應，解決氣體傳感器靈敏度、選擇性和響應恢復迅速的關鍵科學問題。研發的呼吸式血糖儀可滿足確診病友的日常檢查、實現醫院、公共場所快速篩查、手機APP記錄管理以及網上專家互動診斷等功能，具有無創傷、無痛苦、便捷即時（15s）等特點，是首款呼吸式血糖檢測產品。目前已二類醫療器械證書，即將已進入臨床階段。

儀器概述 本儀器是基于【鉑金圓環法原理】實現精確液體的表面張力值的測量，廣泛應用在化工、石油、電力、科研、鐵路等行業。鉑金圓環法原理： 鉑金環法是一種傳統的測試方法，它是用直徑0.37mm的鉑金絲做成周長為60mm的環。測試時先將鉑金環浸入液面(或二種不相混合的界面)下2-3mm，然后再慢慢將鉑金環向上提，環與液面會形成一個膜。膜對鉑金環會有一個向下拉的力，測量整個鉑金環上提過程中膜對環的所作用的最大力值，再換算成真正的表面(界面)張力值。 技術參數 1、顯示方式：240x128點陣中文液晶屏 2、測量方式：鉑金圓環法原理 3、鉑金環半徑：r9.55 鉑絲r0.3 4、測量范圍：0-200mn/m 5、靈 敏 度：0.1mn/m 6、準 確 度：±0.1mn/m 7、自檢功能：故障自動診斷 8、溫度補償：自動溫度補償 9、外形尺寸：240×190×350mm 性能特點 1、液晶屏顯示，中文提示菜單操作，自動升降，平穩性好。 2.、具有25℃自動溫度補償功能，解決了溫度對所測張力值的影響。 3、儀器自動調零、自動測定、計算、顯示實驗結果，具有掉電存儲功能。 4、使用磁罐封閉式傳感器，采用等間隔多點標定，提高了測量結果的重復性和再現性。   網址鏈接 http://www.csscyq.com/proshow.asp?id=777

由相變儲能技術發展而來的相變溫控技術作為一種新興熱控技術越來越受到航天領域的廣泛關注。航天器是綜合了各個學科的先進技術成果而發展起來的系統工程，其中熱控技術是保證航天器正常工作的重要技術。美國國家航空航天局（ＮＡＳＡ）認為航天器的電子設備工作溫度范圍基本在－１５～５０℃。航天器工作環境都極端惡劣，若其長時間在極端的溫度環境下工作會引起電子設備失效。美國空軍的一份報告指出由溫度引起的電子器件失效率高達５５％，占所有失效因素的一半以上。因此運用先進的熱控技術保證航天器的結構部件、儀器設備在空間環境下處于一個合適的溫度范圍，使航天器在各種可能的情況下均能夠正常工作，對于航天領域具有重要意義。物質在吸收或釋放能量發生物態變化時，自身溫度可保持不變或只發生較小變化。利用物質相變過程的這一特征，以及潛熱儲能所具有的高儲能密度和能量穩定傳輸等特點，潛熱儲能已發展成為最具實際應用潛力、應用最多和最重要的儲能方式。使用相變材料，再匹配以合適的熱交換系統，進行能量儲存的技術稱為相變儲能技術。由相變儲能技術發展而來的相變溫控技術作為一種新興熱控技術具有設備性能可靠、質量輕、不耗能等優點，更符合航空航天設備的特殊要求，越來越受到人們的廣泛關注。

工業固體廢渣的有效處置、生態環境污染的源頭治理、新老建筑物的節能降耗、海綿城市建設中的排水蓄水、美好城市建設中的路面裝飾及傳統建材生產對土地資源的消耗等，是國民經濟和社會持續發展迫切需要解決的重大問題。本成果以尾礦（黑色金屬尾礦、有色金屬尾礦、稀貴金屬尾礦和非金屬尾礦）、燃料廢渣（粉煤灰、煤矸石、石油焦等）、冶煉廢渣（鋼鐵冶金渣和有色金屬冶金渣）、建筑垃圾、水處理污泥及工業粉塵等工業固體廢渣為主要原料，制備建筑物隔熱保溫隔聲用泡沫陶瓷、海綿城市建設用透水陶瓷、裸露路面及建筑物裝飾用陶瓷板等新型建筑材料制品，提供全固廢或以工業廢渣為主要組成的新型建筑材料的產業化技術與方案。 根據不同尾礦、燃料廢渣、冶煉廢渣、建筑垃圾、水處理污泥等工業固廢的化學組成與物相特點，利用各廢渣化學組成間的協同-互補-相克原理，通過組成的科學設計和工藝控制，實現工業廢渣的最佳組合、最大化利用和高附加值利用；通過化學鍵合和物理包埋技術，實現對廢渣中可能存在的重金屬離子的固溶與固封，使制品不產生二次污染。其中，泡沫陶瓷的固廢含量為100wt%，體積密度0.37-0.61g/cm3，氣孔率78.3-88.5%，抗壓強度2.9-8.1MPa，抗彎強度1.4-4.3MPa；透水陶瓷的固廢含量為100wt%，透水系數4.68×10-2cm/s，抗壓強度72.3MPa，抗彎強度13.3MPa；陶瓷板的固廢含量為100wt%，體積密度1.96～2.01g/cm3，最高抗壓強度346.5MPa。 優勢：（1）原材料優勢：以工業廢渣為原料，無需消耗化工原料及礦產與土地資源；（2）技術優勢：利用各廢渣化學組成間的協同-互補-相克效應及固溶-固封技術，既可實現廢渣的最佳組合、最大化利用，又可賦予制品優良的綜合性能，還可降低燒結溫度與時間，從而減少制備過程的能源消耗與排放。（3）其它優勢：與有機泡沫材料相比，無機泡沫材料耐高溫，無安全隱患；與免燒結泡沫水泥相比，燒結泡沫陶瓷的強度高，使用可靠性強。

上海固銀實業有限公司是一家致力于特種箱柜的研發、生產、銷售服務為一體的高科技企業，的研發團隊、優質的產品、專業的銷售團隊、四通八達的交通環境共同造就固銀GUYIN品牌在行業中佼佼者的地位，主要產品有化學品安全柜、毒品柜、油桶柜、氣瓶柜、防磁柜、防火文件柜、保密文件柜、PP酸堿柜、試劑柜、藥品柜通風柜、防潮柜、氮氣柜、鼓風干燥箱、寄包柜等。產品通過歐盟CE認證、防磁檢測、防火檢測等多項認證。

堅持以客戶為中心，為客戶提供極致的服務 成立于1975年的固緯電子是電子測試測量儀器領域的專業制造商，由最初的電源迅速發展到高精度電子測試測量儀器領域。經過46年的用心經營，固緯電子已經成為全球性的專業儀器生產商之一。如今，固緯電子涉及了從示波器、頻譜分析儀、信號發生器、電源、基本測試測量儀器到電池測試系統等400多種產品…… 經營范圍：設計、生產示波器、音頻信號產生器、電源供應器、可靠度測試設備（恒溫恒濕機）、混合式數字監控錄影主機等電子測試儀器設備及其半成品，研究、開發、生產公共廣播閉路監視系統、工業電腦并提供技術服務，銷售自產產品及配套產品零配件，并提供相關的售后服務，從事與本企業生產產品同類商品的進出口、批發、傭金代理（拍賣除外）及相關配套業務（以上商品進出口不涉及國營貿易、進出口配額許可證、出口配額招標、出口許可證等專項管理的商品）。（依法須經批準的項目，經相關部門批準后方可開展經營活動）

該成果獲2018年度國家科學技術獎自然科學類二等獎，該成果系統地開展了摩擦的聲子耗散以及聲子在界而和多層膜結構內的輸運規律的研究，在摩擦的聲子粍散機理研宄方面，發現摩擦粍能與聲子主導頻率的定量關系；在國際上最早給出超晶格結構導熱系數最小值出現的條件：率先提出聲子沿石墨法向輸運的自由程遠大于經典理論預測的10nm左右：實現了描述聲子輸運的玻爾茲曼方程的數值解，在國際上率先發現多層膜之間的范德華力能夠提髙聲子在多層膜結構面內的平均自由程。該項0組的研究成果主要發表在Nano Letters、Physical Review B、Nature Nanotechnology等國際學術期刊上，其中8篇代表性論文獲Science、Nature Nanotechnology、Nature Materials、Advanced Materials等重要國際學術期刊論文SCI他引509篇次，單篇最髙SCI他引U5次，研宂成果在國際上產生了重要的學術影響。

本技術提出了基于多尺度理論模擬結合深度機器學習的一整套解決方案，即利用先進多尺度模擬方法精準解析SEI原子結構，建立新一代SEI模型，闡明SEI結構和形成機制，完整構建SEI與電池性能之間的內在聯系，定向設計符合不同商用條件的新型電解液配方，為開發新一代高能量密度電池提供可能。 一、項目分類 顯著效益成果轉化 二、技術分析 隨著智能手機、筆記本電腦等消費電子產品的快速發展，鋰離子電池（Lithium Ion Battery, 簡寫為LIB）已經成為最成功的電化學儲能設備之一，并從根本上影響并改變了人們的日常生活方式。隨著制造工藝的逐步成熟，LIB的能量密度已經接近其理論極限。另一方面，可移動電子設備的快速普及和汽車電動化的蓬勃發展也不斷要求開發具有更高能量密度的充電電池以滿足實際使用的需求，而最先進的LIB依然無法完全滿足上述需求。因此，尋找更高能量比的鋰電池電極材料，加快下一代新型鋰電池關鍵技術的相關研究，已成為制約鋰電池技術產業發展進步的關鍵問題。鋰金屬電池的能量密度雖足以達到下一代電動車的要求，但其自身的穩定性仍令人擔憂，這主要是因為Li金屬的反應活性過高，其幾乎可與所有的電解液均能自發地發生化學反應。在電池的運行過程中，Li電極和電解液之間通過自發化學反應和電化學反應導致了固體電解質界面（solid electrolyte interphase，SEI）的形成。當所形成的SEI結構不均勻時會誘發電池體積膨脹，此外，充放電過程中鋰的不均勻沉積會導致鋰枝晶的形成，鋰枝晶的不規則生長會刺穿SEI，導致SEI膜發生破裂，并產生死鋰，降低鋰金屬電池庫倫效率；更嚴重的是，鋰枝晶的不斷生長會刺穿隔膜，造成電池內部的短路，導致火災和爆炸等安全事故，大大縮短了電池的使用壽命，嚴重阻礙了其大規模商業化發展。因此，SEI對LMB的性能具有至關重要的影響。良好且穩定的SEI可以阻止（或者大幅度減緩）負極界面上反應的持續發生，起到保護Li電極的作用。針對下一代高穩定性鋰金屬電池設計中存在的關鍵問題，結合國際研究進展與本團隊前期研究基礎，我們提出了基于多尺度理論模擬結合深度機器學習的一整套解決方案，即利用先進多尺度模擬方法精準解析SEI原子結構，建立新一代SEI模型，闡明SEI結構和形成機制，完整構建SEI與電池性能之間的內在聯系，定向設計符合不同商用條件的新型電解液配方，為開發新一代高能量密度電池提供可能。本方案已形成完整的工作流，相關自動化軟件已開發完成并交付使用，且具有完全的自主知識產權，可用于國內外上游電池生產研發企業積累原始電池性能數據，大范圍篩選有效電解液組分，指導下一代高能量密度鋰電池研制。 我們的技術優勢與創新主要表現在： 1）首次在電池體系中實現了QM與MM的混合模擬與混合加速； 2）在電池體系模擬中實現了開放電子體系對電化學反應的熱力學和動力學預測； 3）在保證精度的前提下，實現了在納米尺度上對真實的實驗SEI結構直接模擬； 4）通過耦合深度機器學習，實現了電解液組分大范圍篩選與性能優化。

我國是世界最大的鋁生產國和消費國，鋁產量占世界總產量的30%多，而且仍處于高速增長中。但我國鋁土礦儲量僅占世界3%，按現有鋁工業發展速度靜態計算，我國鋁土礦資源將只能用10年。煤炭是我國最主要的能源資源，不僅是重要的燃料，還是重要的化工原料。煤炭開采的副產物煤矸石約占其排放量占煤炭開采量的10％～25％，目前我國煤矸石堆積量約30億噸；煤燃燒利用的必然產物粉煤灰，占原煤質量的15%～40%。目前我國粉煤灰堆貯量已超過29億噸，而且每年以超過3億噸的量繼續產生。煤氣化、液化等產生的煤化工灰渣在我國年排放約4000萬噸，未來40年我國將產生煤化工灰渣100～250億噸。由于地質構造原因，我國的煤系固廢中氧化鋁含量較高，具有回收利用鋁資源的巨大潛力。本項目采用界面活化方法誘導產生鋁硅酸鹽結構缺陷，在少量助劑協同作用下激發配位體大量重組而最終提高煤化工灰渣反應活性，并以工業大量副產稀鹽酸或硫酸為浸取劑，獲取多種高附加值化工產品。伴隨我國勞動力成本持續上升與環境保護日趨嚴峻，加大環境保護力度、緩解資源供給瓶頸、推動循環經濟形成較大規模、促進資源循環利用產業轉型升級是廢物資源化科技創新的準則。本項目的開發成功可有效地解決煤化工灰渣的規模化處置和資源化難題，提供新型鋁資源，并將形成能源、資源、化工、冶金、環保新型循環產業鏈，帶動我國新型煤化工技術進步和相關產業升級。

市場背景：我國具有世界上最大的有機質廢棄物產生量：城鎮污泥年產量已經超過4000萬噸（以含水率80%脫水污泥計，以下同），以有機垃圾、餐廚廢棄物為代表的城市有機質廢棄物產量超過1億噸/年。但我國對有機質廢棄物的穩定化處理與資源化處置顯著落后于發達國家，目前我國主要處理處置措施仍為填埋和焚燒，對城市環境造成嚴重的二次污染威脅。隨著歐洲等發達國家可再生能源戰略的實施、國際能源危機的進一步加深、我國對大氣環境及水環境質量要求的進一步提高，城鎮有機廢棄物的高效生物燃氣化技術，尤其可以滿足大型城市集中式處理處置與能源資源綜合利用需要的有機廢棄物干法厭氧生物制氣技術，可以把有機質廢棄物高效轉化為生物燃氣，生產清潔能源，實現廢棄物的減量化和高值循環利用，已經成為目前國際上有機垃圾、城市污泥等富含有機質廢棄物處理和資源化利用的重點發展方向，各國紛紛在該領域投入大量研究，搶占城市有機質廢棄物資源化與能源化產業化技術的制高點。由于我國污泥泥質的特殊性，其有機質含量遠低于國外、含砂量高、生物反應池負荷低等，國外傳統成熟的污泥厭氧消化處理技術在我國無法得到穩定應用，造成國內大量污泥處理處置設施的故障閑置，城市污泥及有機質處理處置技術存在著重大的瓶頸性問題。 國內外現狀：國內外有微波強化預處理促進低有機質污泥厭氧資源化、城市低有機質污泥的好氧堆肥研究、溫和熱處理對低有機質污泥厭氧消化性能的影響等相關城市污泥厭氧化資源化技術，但針對我國污泥有機質低、含砂量高、區域差異大的特點的合適的污泥資源化處理處置技術卻鮮少，本技術方案突破了傳統厭氧消化要求進料含固率為5%的技術要求，實現了將進料含固率提升至10%~20%實現連續穩定厭氧消化的可行性與調控措施，并在國際上較早報道了脫水污泥直接實現厭氧消化的連續流試驗結果，并提出了高含固體系下污泥與餐廚等城市有機質廢棄物的協同厭氧消化調控技術，創造性的提出了適用于我國典型低有機質污泥高含固厭氧消化的技術路線。 目前本項目組針對我國污泥低熱值的泥質特點，開發了適用于生污泥與消化污泥的熱解/焚燒耦合技術，并形成核心裝備，解決了污泥及工業固廢高效熱化學處理的技術難道與成套裝備。