中國粉體網(wǎng)訊 近年來，以碳納米管和石墨烯為代表的sp2雜化納米碳材料，既具有非常優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等本征物理性能，還可通過原子摻雜、官能團(tuán)嫁接、表面修飾等實(shí)現(xiàn)其界面化學(xué)特性的調(diào)控，提升其宏觀性能而成為研究熱點(diǎn)。
但是，由于納米材料之間較強(qiáng)的相互作用，碳納米管和石墨烯容易發(fā)生聚團(tuán)或堆疊，從而阻礙了低維納米材料的優(yōu)異性能在三維宏觀材料和器件中的發(fā)揮，限制了其在復(fù)合材料、電化學(xué)儲(chǔ)能、多相催化等領(lǐng)域的應(yīng)用。
因此，發(fā)展多維度、多組分、多功能納米碳材料相關(guān)的新概念和新型制備方法是實(shí)現(xiàn)其性能提升和工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵所在，而最具代表的莫過于三維石墨烯及其復(fù)合材料。
在2018年4月24-25日在蘇州“2018低維碳納米材料制備及應(yīng)用技術(shù)交流會(huì)”上，任教于北卡羅萊納州中央大學(xué)的戴貴平教授將會(huì)為您詳細(xì)講解《三維石墨烯與氮沉積碳納米管復(fù)合材料的制備》。
人物簡介：
戴貴平，任教于北卡羅萊納州中央大學(xué)，并在南昌大學(xué)兼職教授，同時(shí)還是超威集團(tuán)的首席科學(xué)家。戴教授在石墨烯，氧化石墨烯，碳納米管，和其他新型碳納米材料（主要包括化學(xué)氣相沉積、等離子弧、電弧放電、化學(xué)溶液法等）方面有廣泛的研究經(jīng)驗(yàn)。
此外，他還致力于研究這些材料在電池、超級(jí)電容器、電化學(xué)儲(chǔ)能上的應(yīng)用。戴教授也是全球?qū)＜艺心加?jì)劃的杰出專家之一。
關(guān)于超威集團(tuán)：
超威集團(tuán)創(chuàng)立于1998年，主要致力于動(dòng)力與儲(chǔ)能電池的研發(fā)生產(chǎn)，是全球領(lǐng)先的專業(yè)綠色能源解決方案提供商。
超威集團(tuán)于2010年在香港主板上市，現(xiàn)有職工2萬多人，在全球擁有108家子分公司,綜合實(shí)力位居“中國企業(yè)500強(qiáng)”第162位、“制造業(yè)500強(qiáng)”第67位，中國民企500強(qiáng)第30位，中國輕工百強(qiáng)企業(yè)第6位、電池行業(yè)首位。
三維石墨烯的制備：
石墨烯是具有蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的平面2D層狀材料。3D石墨烯則由2D石墨烯片整合而成，具有特定的3D微/納米結(jié)構(gòu)。迄今為止，研究者已建立了制備3D石墨烯的多種方法(如圖1所示)，例如：
(1)定向流動(dòng)組裝法：將氧化石墨烯(GO)溶液通過多孔膜抽濾后，用化學(xué)法對(duì)其進(jìn)行還原得到無支載3DrGO紙(圖1a，b)；
(2)溶劑/水熱法：如對(duì)GO薄膜進(jìn)行水熱還原時(shí)，利用添加物質(zhì)產(chǎn)生的CO2和H2O致使rGO的體積膨脹得到3D多孔材料(圖1c，d)；
(3)模板界面組裝法：如以GO溶液表面凝結(jié)的水滴為模板誘導(dǎo)GO自組裝，經(jīng)后續(xù)干燥及薄膜高溫分解促使GO熱還原，形成彈性疏水的3DrGO薄膜(圖1e，f)；
(4)化學(xué)氣相沉積法(CVD)：如以三維多孔鎳膜為模板，高溫分解甲烷生長石墨烯，用鹽酸或FeCl3蝕刻掉模板鎳得到具有貫穿式孔結(jié)構(gòu)的三維石墨烯泡沫(3DGF)(圖1g，h)。
圖1 制備3D石墨烯的多種方法
3D結(jié)構(gòu)可以賦予石墨烯組裝體獨(dú)特的性質(zhì)，如柔韌性、多孔性、高活性比表面積、優(yōu)異的傳質(zhì)性能等。因此，近年來國內(nèi)外對(duì)3D石墨烯材料的制備及應(yīng)用研究十分活躍。
N-CNT的制備：
對(duì)CNTs進(jìn)行異原子摻雜，可調(diào)控CNTs的性質(zhì)。氮原子的半徑與碳原子接近，容易進(jìn)入碳納米管晶格形成C-N鍵，改變碳納米管的物理化學(xué)性質(zhì)，拓展碳納米管的應(yīng)用范疇。
目前，氮摻雜碳納米管（N-CNTs）的制備方法可以分為3種：
（1）同步原位摻雜，即在CNTs 的生長過程中進(jìn)行摻雜；
（2）高溫碳化含氮高分子；
（3）在含氮條件下，對(duì)碳納米管進(jìn)行后處理，如采用等離子體、球磨、水熱等方法進(jìn)行氮摻雜。
根據(jù)摻雜氮在碳納米管中的形態(tài)可以分為石墨化氮（N-Q）、氧化吡啶氮（N-6）、吡咯氮（N-5）、氧化吡啶（N-X）、-NO2以及 -NH2等。不同方法制備的N-CNTs具有含量不同的各摻氮形態(tài)，致使N-CNTs在催化、儲(chǔ)能等方面的性能不同。
3D石墨烯與N-CNTs復(fù)合材料優(yōu)勢：
在2018年4月24-25日在蘇州“2018低維碳納米材料制備及應(yīng)用技術(shù)交流會(huì)”上，戴貴平教授所要提到的三維石墨烯與氮沉積碳納米管復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了碳納米管與石墨烯實(shí)現(xiàn)了原子尺度的鏈接。
這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)不僅為電子傳輸和離子擴(kuò)散提供了三維聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)，而且氮原子在碳骨架的改性能夠顯著改變表面電子分布，進(jìn)一步提高電子電導(dǎo)率。
除此之外，由于氮原子的引入也會(huì)促進(jìn)碳材料的表面吸附性能和電化學(xué)活性，這一特征將顯著促進(jìn)多硫化鋰的吸附，對(duì)鋰硫電池的研究有著重大意義。
