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精细化工国家重点实验室超大面积二维纳米碳材料研究取得新进展

时间:2016年03月22日 10:51来源: 作者: 点击:

 

以石墨烯为代表的二维功能材料近年来炙手可热,这些明星材料在力学、电学、热学和磁学等方面显示出令人惊异的独特性能。研究发展性能可控和成本低廉、能够充分满足实用化需求的类石墨烯二维纳米碳材料的制备新方法和新技术,并揭示这些材料在能量存储与转换、催化等技术领域的应用潜力和构效关系,是国内外关注的富有挑战性的一个重要课题。

在常规条件下制备的传统碳材料之结构通常具有高度无序的特征,在低温下合成二维纳米碳材料通常需要依赖二维结构模板的限域诱导与辅助。将含碳前驱体引入硬模板材料的纳米孔道内进行限域碳化是制备二维纳米碳材料的常用手段,但模板材料二维纳米孔道的结构特点导致含碳前驱体分子难以在模板内部均匀分布,最终所得产物多为尺寸不足数微米的纳米碳薄片,较小的平面尺寸不仅限制了面内电子的连续传导,亦难以通过组装形成结构可控的宏观体功能材料。此外,此类传统的技术方法需要使用酸或碱去除模板,整体工艺路线对环境亦有无法回避的负面影响。

针对上述难题,精细化工国家重点实验室邱介山教授领衔的辽宁省能源材料化工创新团队继前期工作后与陕西师范大学雷志斌教授课题组合作,研究建立了一种模板辅助化学气相沉积制备二维超薄碳纳米筛新方法,以Thin-Sheet Carbon Nanomesh with an Excellent Electrocapacitive Performance为题,发表在Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 5420-5427,被选为前内封面,提出基于可再生生物质分子在二维层状晶体模板表面的长程有序自组装策略,建立了超大面积二维纳米碳材料的绿色制备与多尺度宏观体的构筑新方法。与常规硬模板内部的二维限域孔道相比,生物质分子在层状晶体敞开表面的吸附热动力学与长程有序分布更加高效,碳化后获得的纳米碳薄片面积可达数百平方微米以上,而厚度仅为5-8纳米,aspect ratio(碳片lateral size与厚度之比值)介于6000-10000具有优异的导电性与柔韧性。以生物质分子(明胶)为前驱体,以硼酸为层状晶体模板,在纳米碳薄片内原位掺杂引入硼和氮原子,一步法实现对纳米碳薄片之化学组成和微观结构的精细调变。此类超大面积纳米碳薄片具有优异的柔韧性,可作为基本结构基元,基于多尺度自组装机制而构筑二维柔性自支撑薄膜、三维超轻气凝胶等。作为超级电容器电极材料,此类超大面积纳米碳薄片及其自组装构筑的二维薄膜宏观体均表现出高比电容、超长循环寿命(15000次)及优异的高功率输出能力;材料制备过程中的层状晶体模板(硼酸)可通过简单的温和绿色化的水洗-蒸发结晶工艺循环利用。结果发表在材料科学领域国际著名期刊Adv. Funct. Mater.(2016, 26, 111-119;作者:凌铮、王治宇、张梦迪、于畅、王刚、董琰峰、刘绍鸿、王玉伟、邱介山),并被选为刊物正封面。该工作得到国家自然科学基金会的资助支持。

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