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唐城:碳纳米管阵列/石墨烯三明治
清华大学绿色反应工程与工艺北京市重点实验室    2014-09-25 16:55:29   

以碳纳米管和石墨烯为代表的sp2杂化纳米碳材料,即具有非常优异的力学、电学、热学、光学等本征物理性能,还可通过原子掺杂、官能团嫁接、表面修饰等实现其界面化学特性的调控,提升其宏观性能。但是,由于纳米材料之间较强的相互作用,碳纳米管和石墨烯容易发生聚团或堆叠,从而阻碍了低维纳米材料的优异性能在三维宏观材料和器件中的发挥,限制了其在复合材料、电化学储能、多相催化等领域的应用。因此,发展多维度、多组分、多功能纳米碳材料相关的新概念和新型制备方法是实现其性能提升和工业应用的关键所在。
为了拓展纳米碳材料的性能和应用前景,清华大学首次提出并制备了氮掺杂的碳纳米管阵列/石墨烯三明治材料。该课题组通过两步变温过程提供不同的生长窗口,在双功能催化剂上实现了高质量的氮掺杂碳纳米管阵列和石墨烯的原位生长与结构杂化。碳纳米管阵列和石墨烯交替垂直相连,构建成类似三明治的多级结构,提供了三维连通的电子传输网络和离子扩散通道。同时,氮原子在碳骨架中的掺杂改变了其表面电子分布和界面化学,提高了碳材料的吸附性能和电化学活性。这种类三明治的氮掺杂碳纳米管阵列/石墨烯杂化物用于锂硫电池储能体系,表现出了优异的性能。在1 C的放电电流密度下(即电池1小时放电完毕),锂硫电池基于活性硫电极材料的可逆容量可高达1152 毫安时/克,相比于单纯的碳纳米管阵列(764 毫安时/克)和未掺杂的碳纳米管阵列/石墨烯(865 毫安时/克)体系都有大幅提高,而循环充放电80次后,仍可保持880 毫安时/克的可逆容量。即使在5 C的高电流密度下(即电池0.2小时放电完毕),其可逆容量也达到了770 毫安时/克。低维材料的结构杂化带来的协同效应和杂原子引入实现的界面化学调控,使得该材料与传统碳材料相比,具有更高效的导电网络和离子通道,以及增强的电化学活性,从而获得了显著提高的电化学储能性能。相关工作于以《氮掺杂的碳纳米管阵列/石墨烯三明治:双功能催化剂上的催化生长及高倍率锂硫电池正极材料的应用》(Nitrogen-Doped Aligned Carbon Nanotube/Graphene Sandwiches: Facile Catalytic Growth on Bifunctional Natural Catalysts and Their Applications as Scaffolds for High-Rate Lithium-Sulfur Batteries) 为题发表在2014年9月17日出版的《先进材料》(Advanced Materials)上,相关图片作为内封底发表。该文的第一作者是清华大学化工系反应工程实验室的博士生唐城,通讯作者是本实验室教师张强、魏飞教授。
通讯作者张强表示,通过进一步的结构调控,这种氮掺杂的碳纳米管阵列/石墨烯三明治材料还有望在锂离子电池、超级电容器、纳米复合材料、环境保护、医疗健康等领域获得高效应用。这种基于拓扑结构和原子掺杂设计多功能多级材料的思路,以及不同生长窗口的多步制备方法,为新型功能材料的设计和制备提供了新的原理和思路。

Publication:
Tang C, Zhang Q, Zhao MQ, Huang JQ, Cheng XB, Tian GL, Peng HJ, Wei F. Nitrogen-Doped Aligned Carbon Nanotube/Graphene Sandwiches: Facile Catalytic Growth on Bifunctional Natural Catalysts and Their Applications as Scaffolds for High-Rate Lithium-Sulfur Batteries. Advanced Materials 2014, 26(35), 6100-6105. doi:10.1002/adma.201401243.
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201401243/abstract

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