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化学
像“吹糖人”一样“吹”出三维碳网络
      将中国传统民间艺术“吹糖人”与先进的纳米材料制备相结合,会擦出什么样的火花呢?哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院副教授周薇薇去年曾受“吹糖人”的启发,制出类似于“糖浆”的黏稠状前驱体,再将其快速加热并利用过程中产生的大量气体“吹”成二维纳米片。
      近日,周薇薇课题组与该校海洋科学与技术学院教授朱永明课题组合作,将该方法进一步延伸,“吹”出了由二维碳纳米片和一维碳纳米管构成的三维碳网络,首次实现了一维和二维碳材料的同步、原位生长。该研究成果刊登在国际著名期刊《纳米尺度》上。
      新方法工艺简单、绿色环保
      据周薇薇介绍,常见的一维碳材料和二维碳材料复合结构的构建通常需要先合成二维碳材料作为基底,在二维碳材料上引入催化剂后,再进行一维碳材料的生长。“我们的新方法通过催化剂颗粒的预先引入,以及碳源的同步添加,可以在合成二维碳纳米片的同时,催化生长一层一维碳纳米管,也就是一维和二维碳的同步生长。”据周薇薇介绍,该方法实现了宏观上制备工艺的简化,由之前两步以及多步的合成工艺简化到一步合成,合成效率大幅提高。同时,该做法能充分地利用每种合成原料,原料利用率高,污染小,绿色环保。此外,该方法合成出来的材料是一个整体结构,避免了材料合成过程中经常遇到的相容性问题,整体结构更稳定、协同程度高,而并非两种单独材料的机械结合。
      在这个过程中,材料界面相容性、复合材料结构构建、生产成本和环保性是团队需要跨越的“三道关”。“无论是材料体系的变化和催化剂的引入,都会面临材料不相容的问题,我们通过辅助模拟计算,最终选择了能使材料体系稳定并且催化剂能在其中均匀分布的体系。”周薇薇说。此外,团队选用的都是常见的、价格低廉的原料,成本低,反应简单无副产物,大大减少了试验过程中毒害物质的排放和后处理过程,实现绿色合成。
      新催化剂将“纸张”变成“毛毯”
      近几年来,可再生能源领域面临着无数的挑战和机遇。作为储能装置的锂离子电池和超级电容器在工业领域的应用极为广泛,然而由于常见的储能电极材料成本高昂、制备工艺复杂,产业化道路举步维艰。
      对于储能材料而言,二维材料一直是研究人员关注的焦点。周薇薇告诉科技日报记者:“二维材料由于表面能较大,不可避免地会遇到堆叠的问题,这会大大降低材料的表面积,从而导致材料性能的急剧降低,而多孔二维材料同时还面临导电率差的问题。”
      据她解释,如果把有丰富活性位点的二维储能材料看作一张张写满字的纸,当纸张堆叠在一起,纸张上的字就也被遮住了。因此,团队设想,要是能设计一种方法,将“纸张”变成“毛毯”就好了,“这样既保留了二维材料表面丰富的优势,又能有效通过中间缓冲层防止材料的堆叠”。
      “因此,我们在之前工作的基础上,开辟了新的实验体系,探究了几十种实验方案,最终找到了能和催化剂稳定相容的体系。催化剂的存在不仅可以催化碳纳米管的生长,也有利于调控二维碳材料的尺寸。并且生长出的碳管不仅可以作为缓冲层,防止片层结构的堆叠,其优异的导电性也弥补了多孔二维碳材料导电性差的缺点。”周薇薇说。
      储能之外新材料大有可为
      采访中,研究人员表示:“目前用于储能设备的高性能电极材料的合成仍面临着成本和制备条件的制约。我们希望这种绿色环保、安全快捷的大规模制备工艺能够推动储能器件的应用,加速可再生能源的发展进程。”
      周薇薇高兴地表示,测试证明,这种绿色环保、安全快捷的宏量制备方法制备出来的材料不仅在锂离子电池、钠离子电池、超级电容器等储能领域表现出性能优异,并且得益于材料优异的结构和性能,在水处理和电磁波的吸收和屏蔽领域也有巨大的应用价值。
      据周薇薇介绍,接下来团队希望从内部优化和外部延伸两个方面安排研究计划:“一方面,我们需要通过进一步优化实验工艺条件和参数,探究在此体系内最合适的实验方案,最大限度地发挥材料的性能。另一方面,我们希望合成策略也不止步于此,并通过积极地外界沟通建立合作,延伸体系的覆盖范围,让我们‘吹出来’的材料及合成策略在更多领域发挥价值。”
      
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科技日报
2019年06月06日

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