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碳纳米材料逐渐展现出在强度、硬度、光学、耐热性、耐辐射、耐化学药品、导电性、导热、表面与界面特性等方面比其它材料更加优异的性能

2019-06-02 李俊

自富勒烯、碳纳米管和石墨烯被发现和成功制备以来,碳纳米材料以其优异的导电性、机械性、化学稳定性和光学特性受到了大量的关注。随着纳米科技的高速发展,碳纳米材料逐渐展现出在强度、硬度、光学、耐热性、耐辐射、耐化学药品、导电性、导热、表面与界面特性等方面比其它材料更加优异的性能。因此,在以碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维等碳纳米材料为主体,高分子、无机金属纳米颗粒为添加剂,通过适当的制备和化学改性方法得到的均匀碳基功能纳米复合材料在储氢、导热、电化学储能材料、催化、生物传感、荧光、晶体管等诸多领域得到了广泛的应用。天津大学封伟教授研究团队长期致力于功能碳基纳米复合材料的基础研究和应用,近日,受国际复合材料领域著名期刊《Composites Science and Technology》邀请,封伟教授团队在该期刊上发表题目为《碳基功能纳米材料:制备、性能与应用》的专题综述文章,重点总结了研究团队在功能碳基复合材料领域十余年的研究成果,以碳纳米材料的结构、性质以及化学功能化为出发点,对近年来研究团队在光热、导热、电化学储能以及光响应驱动等领域的一些重要研究进展和成果进行了介绍,并对功能纳米碳复合材料的设计思路、制备方法、结构调控、性能优化以及应用前景等进行了重点分析,第一作者为博士生李子豪,通讯作者为天津大学封伟教授。



图1 几种常见化学功能化碳纳米管和石墨烯


首先,对于石墨烯和碳纳米管的一般结构与基础性质进行概括性介绍,接着,分别对现阶段比较成熟的几种碳纳米管和石墨烯的化学功能改性进行总结阐述,如图1所示,碳纳米管的化学改性主要集中在对其管壁的优化和修饰上,包括利用臭氧、氢等离子体、氟气等,而对石墨烯的化学功能化主要以氧化石墨烯的制备为例,通过对石墨进行插层和氧化,得到表面具有丰富含氧官能团(羧基、羟基、酯基等)的石墨烯,由于该方法大幅度改善的水溶性,利于溶液加工,因此常用作对石墨烯基纳米复合材料的修饰、优化与设计中。



图2 偶氮苯/石墨烯复合材料在光热转换与存储方面的应用


其次,根据碳基纳米材料的功能,分章节逐一介绍纳米碳基复合材料在光热、光驱动、高导热、锂电池和超级电容器等器件的制备工艺、性能表征以及应用。

太阳光作为一种绿色、可持续的清洁能源一直是科学家研究的重点,开发对太阳能进行俘获、转换、储存的创新技术显得尤为重要。封伟教授研究团队是国际上最早从事光热能量的存储与转换研究的科研团队之一,在封伟教授的带领下,研究团队经过多年的探索,发现了以碳纳米管和石墨烯为基底,接枝复合偶氮苯类分子具有独特的光致异构现象,即通过光开关分子的可逆结构转换和空间重排来储存来自太阳光的能量,然后以热的形式释放能量,从而实现光热存储与可控释放。经过研究团队的不懈努力,探索出一系列的偶氮苯/碳基纳米材料(图2),以实现将太阳能这一“取之不尽,用之不竭”清洁能源进行高效循环利用。这一系列重大研究发现有望可以缓解日渐严重的能源问题。



图3 纳米碳基复合材料在高导热方面的应用
 

随着大规模集成技术的进步,电子器件朝向小型化、微型化的发展已经越来越迅速,而其中高效工作带来的热量积累问题一直阻碍着这一领域的前进。导热复合材料作为有效解决这一核心问题的关键环节,直接影响着传热的效率。封伟教授研究团队以高导热纳米碳材料为基体,针对碳基导热复合材料的制备及力热性能优化进行了大量的研究工作(图3),包括以石墨连接三维碳纳米管网络的高导热碳/碳复合材料、连续石墨烯@聚二甲基硅氧烷网络的碳/聚合物复合材料、以垂直碳纳米管阵列桥接的定向高导热各向同性的导热复合材料、石墨烯交联碳纳米管三维杂化网络具有可控导热、导电和回弹性的聚酰亚胺导热复合材料等都取得了重大突破。

氟化碳是目前世界上理论能量密度最高的原电池正极材料,在电子器件、生物医学和装备电源等领域有广阔应用前景。封伟教授团队长期致力于氟化碳材料的研究,及其在高容量储能材料领域的应用开发。研究团队经过不断的试验,对材料制备、氟化机理、结构调控、电化学动力学等科学问题进行了深入细致的研究(图4),探索出具有独特结构的新型氟化碳材料,颠覆了传统的碳氟共价键,成功制备的新型氟化碳材料不仅可以兼顾电池高能量密度和高功率密度,同时在超大放电电流条件下可以稳定工作。



图4 氟化碳纳米材料在锂电池方面的应用


最后,对于功能碳纳米材料在各领域的优缺点和未来的发展前景进行了小结,相信随着纳米材料先进制备和表征技术的高速发展,具有广阔应用前景的碳基纳米复合材料有望可以实现高性能器件的工业化大规模生产。

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2019.04.028

来源:石墨烯联盟