石墨烯纤维材料的化学气相沉积生长方法

石墨烯纤维材料是以石墨烯为主要结构基元沿某一特定方向组装而成或由石墨烯包覆纤维状基元形成的宏观一维材料。根据组成基元的不同可将石墨烯纤维材料分为石墨烯纤维和石墨烯包覆复合纤维。石墨烯纤维材料在一维方向上充分发挥了石墨烯高强度、高导电、高导热等特点,在智能纤维与织物、柔性储能器件、便携式电子器件等领域具有广阔的应用前景。随着化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)制备石墨烯薄膜技术的发展,CVD技术也逐渐应用于石墨烯纤维材料的制备。利用CVD法制备石墨烯纤维可避免传统纺丝工艺中繁琐的氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)还原过程。同时,通过CVD法直接将石墨烯沉积至纤维表面可以保证石墨烯与纤维基底之间强的粘附作用,提高复合纤维的稳定性,同时可实现对石墨烯质量的有效调控。本文综述了石墨烯纤维材料的CVD制备方法,石墨烯纤维材料优异的力学、电学、光学性质及其在智能传感、光电器件、柔性电极等领域的应用,并展望了CVD法制备石墨烯纤维材料未来的发展方向。     

纳米碳材料在可穿戴柔性导电材料中的应用研究进展

可穿戴设备的兴起使得对柔性器件的需求日益提高,柔性导电材料作为可穿戴器件的重要组成部分而成为研究的热点。传统的电极材料主要是金属,因金属材料本身不具有柔性,一般通过降低金属层厚度以及设计波纹结构等策略实现其在柔性器件中的应用,其加工程序复杂,成本较高。以碳纳米管和石墨烯为代表的纳米碳材料兼具良好的柔性和优异的导电性,且具有化学稳定、热稳定、光学透明性等优点,在柔性导电材料领域展现了极大的应用潜力。本文简要综述了近年来纳米碳材料在柔性导电材料领域的研究进展,首先介绍了碳纳米管基柔性导电材料,分别包括基于碳纳米管水平阵列、碳纳米管垂直阵列、碳纳米管薄膜、碳纳米管纤维的柔性导电材料;继而介绍了石墨烯基柔性导电材料,包括基于剥离法制备的石墨烯和化学气相沉积法制备的石墨烯以及石墨烯纤维基柔性导电材料;并简述了碳纳米管/石墨烯复合柔性导电材料;最后论述了纳米碳材料基柔性导电材料所面临的挑战并展望了其未来发展方向。     

静电纺丝法制备纳米抗菌纤维的研究进展

纳米抗菌材料是防止细菌等致病微生物对人们生产、生活的破坏而发展起来的一类新型材料.在纳米抗菌材料的众多制备方法中,静电纺丝是一种成本低,工艺可控的技术,制备的纳米纤维具有比表面积大、孔隙率高、纤维均匀等特点.本文作者首先简述了静电纺丝技术以及该技术制备纳米抗菌纤维材料的特点;接着按照菌剂种类不同,对静电纺丝技术制备的抗菌纤维材料进行归类,将其分为无机抗菌纤维材料、天然抗菌纤维材料和复合抗菌纤维材料3类,并对其研究进展进行了评述;最后对静电纺丝技术制备纳米抗菌纤维的研究现状进行了总结与展望.     

典型高分子纤维发展回顾与未来展望

高分子纤维作为发展国民经济的基础材料、国防军工的战略材料、新兴产业的前沿材料,其产品内涵与应用领域正在不断拓展.本文首先简要介绍了国内外高分子纤维材料的发展简史,其依次经历了天然纤维、人造纤维、合成纤维(差别化、功能化、高性能等纤维)等发展阶段.其次,结合本课题组相关工作重点阐述了通用型聚酯纤维、高性能聚苯硫醚纤维以及生物质聚乳酸纤维等典型高分子纤维材料的研究进展,包括发展历程、制备方法、性能优化、应用领域等内容.最后,展望了高分子纤维材料的发展趋势,我们认为基于材料、信息、生物、机械等学科交叉融合与技术突破,具有多材料、多结构、多功能的绿色、超性能、智能纤维材料将成为未来发展方向.     

提拉纺丝制备弹性离子液体凝胶纤维

规模化制备兼具高弹性和高离子电导率的可拉伸导电纤维极具挑战性.为此,我们开发了一步法提拉纺丝策略,可连续制备高弹性离子液体凝胶纤维.其中,离子液体与聚合物基质以非共价相互作用结合,在纤维中稳定存在,并可大幅调控纤维力学性能.得益于通过氢键自发纳米限域形成的多尺度相分离结构,所得离子液体凝胶纤维具有良好的拉伸性(707%)、高透明度(98%)、高回弹性(残余应变仅9%)、导电性(0.12 S·m^-1)以及抗冻性能.此外,该纤维还可对湿气、温度以及应变表现出极为灵敏的信号感知能力.这一工作为开发面向智能感知的高性能离子导电纤维材料提供了设计思路.     

MWCNTs/PVA-co-PE纳米纤维膜导电性能的研究

通过原位自组装法制备MWCNTs/PVA-co-PE复合材料,将此复合材料与纤维素酯共混后,利用热塑性聚合物熔融共混相分离法制备了MWCNTs/PVA-co-PE复合纳米纤维。通过SEM和TEM分析表征了MWCNTs/PVA-co-PE复合纳米纤维的形态、结构以及多壁碳纳米管在纳米纤维中的分布状态;研究了多壁碳纳米管添加量对MWCNTs/PVA-co-PE复合纳米纤维导电性能的影响。结果表明,当多壁碳纳米管的添加量大于6%时,MWCNTs/PVA-co-PE复合材料的表面电阻会显著下降;提高MWCNTs的添加量会使MWCNTs/PVA-co-PE复合纳米纤维的表面电阻稍微下降,但是效果不大,这可能是由于MWCNTs在纳米纤维内部不能形成良好的导电通道。     

电纺纤维在超级电容器中的应用

对高性能超级电容器不断增长的需求促进了电极隔膜和电极材料的快速发展。静电纺丝法制备的纳米纤维具有较高的孔隙率、较好电化学活性、较大的表面积以及良好的结构稳定性等优点,已被广泛应用于超级电容器的隔膜和电极材料。本文简要综述了近年来电纺纳米纤维在超级电容器用隔膜和电极材料的研究进展;着重讨论了通过静电纺丝和其他后处理方法制备的碳基纳米纤维、碳基复合纳米纤维、导电聚合物基复合纳米纤维和金属氧化物纳米纤维等用于超级电容器的电极材料。研究表明,多孔结构的构建、活化处理以及杂原子掺杂可以提高碳纳米纤维的比表面积、电化学活性、润湿性和石墨化程度,从而增强其电化学性能。此外,通过共混、化学沉积和电化学沉积等方法,将碳纳米纤维与金属氧化物、导电聚合物结合,可以改善其电容、倍率性能和循环稳定性。最后,提出上述研究中存在的问题,并对未来静电纺丝纳米纤维材料在超级电容器的发展前景进行了展望。     

碳纳米管的宏量制备及产业化

作为纳米材料的代表之一,碳纳米管因其独特的一维结构具备了优异的力学、电学、热学、光学和反应性能,使其在能源存储与转化、复合材料、多相催化、环境保护及生物医药等领域具有大量的应用潜力.本文总结了多种类型碳纳米管宏量制备的化学及工程原理,并对多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、定向碳纳米管、超顺排碳纳米管、水平超长碳纳米管、掺杂碳纳米管、螺旋碳纳米管、碳纳米管结及碳纳米管/石墨烯杂化物的宏量制备方法进行了评述.同时,对碳纳米管产业化中新的工程问题,如工业标准、环境评估以及产业化进展进行了分析.目前,碳纳米管已经具有成千吨的产能,并广泛应用于锂离子电池电极、导电复合材料、汽车配件和体育用品等领域.尽管如此,高性能的碳纳米管的宏量制备及其配套产业化技术仍有待深入开发,产品需要进一步丰富、市场需要进一步拓展,以望形成大规模纳米产业,促进社会的可持续发展.     

石墨烯/碳纳米管复合薄膜的制备进展

石墨烯/碳纳米管复合材料具有石墨烯和碳纳米管的共同特性,它弥补了石墨烯不连续和碳纳米管网存在间隙这两方面缺点。 本文探讨了石墨烯/碳纳米管复合薄膜的制备新进展,阐述了利用自组装合成、非原位合成以及非化学合成等方法制备厚度薄、强度高和比电容高等特点的石墨烯/碳纳米管复合薄膜的方法,对石墨烯/碳纳米管复合薄膜在传感器、锂电池和超级电容器等方面的应用前景进行了展望。     

聚合物纤维固载型催化剂的制备与应用研究

发展高活性且可回收的催化剂成为近几十年研究的一个热点,本文系统地介绍了聚合物纤维固载型催化剂的制备技术,并简要阐述了其在各领域中的应用。与传统非聚合物纤维固载型催化剂相比,聚合物纤维固载型催化剂能同时满足高比表面积、易加工成型和易分离等要求,具有高催化活性和优良的循环使用性能。聚合物纤维制备技术和催化剂负载方法的发展,能够显著促进了以聚合物纤维材料为载体的高性能固载型催化剂的进步,在空气净化、污水处理和大型化工生产等领域具有重要的研究意义。     

石墨烯纤维：制备、性能与应用

石墨烯纤维是一种由石墨烯片层紧密有序排列而成的一维宏观组装材料。通过合理的结构设计和可控制备,石墨烯纤维能够将石墨烯在微观尺度的优异性能有效传递至宏观尺度,展现出优异的力学、电学、热学等性能,从而应用于功能织物、传感、能源等领域。目前,石墨烯纤维主要通过湿法纺丝、限域水热组装等方法制备得到,其性能可以通过对材料体系和制备工艺的优化而进一步提升。本文首先介绍了石墨烯纤维的制备方法,然后详细阐述了石墨烯纤维的性能,讨论了其性能提升策略,并总结了石墨烯纤维的应用,最后对石墨烯纤维的未来发展、挑战和前景进行了展望。     

基于MXenes的功能纤维的制备及其在智能可穿戴领域的应用

在电子信息和物联网技术的推动下,人类对可穿戴电子器件和智能织物的需求愈发突出,功能纤维作为智能可穿戴设备的重要载体,近年来获得快速发展。功能纤维的性能很大程度上取决于纤维的基础构筑单元。过渡金属碳/氮化物(MXenes)作为一种新兴的二维材料,凭借其高电导率、优异的可加工性能、可调节的表面特性以及出色的机械强度等优点,受到了极大的关注,也逐渐成为构筑功能纤维的重要单元。本文将主要综述MXenes的湿化学、熔融盐、无氟试剂刻蚀等方法和力学、电学、光学和化学稳定性等性能,阐述基于该材料制备的功能纤维在传感、储能以及其他智能领域的应用,最后讨论了基于MXenes材料的功能纤维的未来应用前景和技术挑战。     

湿法纺制石墨烯纤维：工艺、结构、性能与智能应用

石墨烯纤维是由石墨烯片层通过组装过程形成的宏观一维材料。其具有较好的耐热性、导热性、导电性以及轻质高强等优点,是实现高品质、功能化纤维的重要突破口。石墨烯纤维在超轻导线、可穿戴储能、传感、生物电极等领域具有广阔应用前景。目前,湿法纺制技术是石墨烯纤维的最主要制备手段,与现有的化学纤维制备过程兼容,是最有望实现规模化制备高品质石墨烯纤维的技术。本文首先介绍了湿法纺制石墨烯纤维工艺中的关键步骤,重点讨论了制备技术与石墨烯纤维结构之间的关系。论述了提升纤维性能的相关策略,总结了石墨烯纤维在功能/智能纤维领域应用。并对提升石墨烯纤维性能的关键问题进行总结阐述,展望了石墨烯纤维的发展前景。     

石墨烯基纤维储能器件的研究进展与展望

随着小型化、可穿戴等特征的智能电子以及物联网传感设备的发展,新型纤维状柔性化、小型化电化学储能器件已成为重要的研究方向。同时,对纤维材料和柔性储能器件的性能提出了更高的要求,如可任意弯折、可拉伸、可折叠、高储能密度等。石墨烯纤维具有独特的结构、优异的导电性、良好机械性能和电化学性质,已证明了是一种极具前景、高性能的新型纤维状柔性储能材料。目前,研究者已开发了多种石墨烯基纤维微观结构的调控策略来进一步改进其性能。本文首先系统总结了石墨烯基纤维的制备方法和其性能提升的策略,然后详细讨论其在柔性化纤维状超级电容器、金属离子电池、热电发电机、太阳能电池和相变材料等储能领域中的最新应用进展。最后,对石墨烯基纤维在能源存储和转换领域中存在的挑战和机会进行了展望。     

钠离子电池用高性能锑基负极材料的调控策略研究进展

Na-ion batteries (SIBs) are promising alternatives for Li-ion batteries owing to the natural abundance of sodium resources and similar energy storage mechanisms. Although significant progress has been achieved in research on SIBs, there remain several challenges to be addressed. One of the major challenges in the construction of high-performance SIBs is the development of suitable anode materials with a large reversible capacity, high cycling stability, and good rate performance. Alloying anode materials mainly composed of elements from Groups IVA and VA, as well as their alloys, have attracted widespread attention because of their low working voltage, high cost-effectiveness, and large theoretical capacity. Alloying-type anode materials can be alloyed with metallic Na to achieve large reversible capacities, ensuring a high energy density. Antimony is a promising anode material for SIBs owing to its high theoretical specific capacity (660 mAh·g⁻¹, corresponding to the full sodiation Na₃Sb alloy), small degree of electrode polarization (~0.25 V), appropriate Na⁺ deintercalation potential (0.5–0.75 V), low price, and environmental friendliness. However, an important challenge for using Sb-based anode materials is that the high specific capacity is accompanied by large volume changes during cycling. Such changes lead to the pulverization of the active materials and their falling off from the collector, which significantly limit their large-scale application in the field of sodium-ion batteries. Therefore, mitigating the volume expansion issue of Sb-based anode materials in the charge-discharge process is very important for the design of high-performance SIBs. In recent years, researchers have attempted to address this issue by designing special structures to prepare various composites, and substantial progress has been achieved in improving the electrochemical performance of SIBs. In this review, the relationship between the structure and properties of Sb-based materials and their applications in SIBs are presented and discussed in detail. The latest research progress on using Sb-based anode materials for SIBs in redox reaction mechanisms along with their morphology design, structure-performance relationship, etc. have been reviewed. The main objective of this review is to explore the determining factors of the performance of Sb-based anode materials to propose suitable modification strategies for improving their reversible capacity and cycle stability. Finally, future developments, challenges, and prospects of Sb-based anode materials for SIBs are discussed. Despite several challenges, Sb-based materials are very promising anode materials for SIBs with alloying reaction mechanisms. To further improve the large-scale application of Sb-based anode materials, it is necessary to optimize the binder, electrode structure, and electrolyte composition. The combination of in-depth studies on the electrochemical reaction mechanisms and advanced characterization technologies is important for the development and construction of advanced Sb-based anode materials for SIBs. Finally, to achieve extensive large-scale applications, it is necessary to further explore environmentally friendly, low-cost, and controllable synthetic technologies to prepare high-performance Sb-based anode materials. This review provides specific perspectives for the construction and optimization of Sb-based anode materials and suggests scope for future work on Sb-based anode materials, thereby promoting the rapid development and practical application of SIBs.      

钠离子电池用高性能锑基负极材料的调控策略研究进展

锑(Sb)具有高的理论比容量、较小的电极极化、合适的Na⁺脱嵌电位、价格低廉以及环境友好的优势,而成为一种具有较大应用前景的钠离子电池负极材料。但是,Sb基负极材料的一个重要挑战是在循环过程中高比容量伴随着大的体积变化,进而导致活性材料粉化,并从集流体上脱落,这大大限制了其在钠离子电池领域的大规模应用。因此,如何解决Sb基负极材料充放电过程中体积膨胀问题对于高性能的钠离子电池设计是至关重要的。本文详细综述和讨论了Sb基材料的结构-性能关系及其在钠离子电池中的应用,详细介绍了钠离子电池Sb基负极材料在氧化还原反应机理、形貌设计、结构-性能关系等方面的最新研究进展。本综述的主要目的是探讨影响Sb基负极材料性能的决定因素,从而提出有前途的改性策略,以提高其可逆容量和循环稳定性。最后,对Sb基钠离子电池负极材料的未来发展、面临的挑战和前景进行了展望。本文可为Sb负极材料的构建和优化提供具体的观点,阐明了Sb基负极材料未来的发展方向,从而促进钠离子电池的快速发展和实际应用。     

聚吡咯@二氧化锰/碳纳米管薄膜电极的制备及在高性能锌离子电池中的应用

中性/弱酸性水系锌锰电池因其能量密度高、价格低廉、环境友好等优势受到广泛关注。然而,现有的二氧化锰正极材料存在导电性能差,在充放电过程中易于溶解等问题。这严重影响了电池的倍率性能和循环稳定性,阻碍了中性锌锰电池的应用。为了解决上述问题,本文设计了以碳纳米管(CNT)网络薄膜为导电基底沉积聚吡咯(PPy)包覆二氧化锰(PPy@MnO₂/CNT)的多级结构电极。碳纳米管和聚吡咯组装形成高比表面积的三维交联导电网络,为活性材料提供了快速的电子、离子传输通道;聚吡咯包覆纳米级二氧化锰能够有效地抑制二氧化锰的溶解,进而提升电池的倍率特性和循环稳定性。以PPy@MnO₂/CNT作为正极材料组装的水系锌锰电池在1 A·g^-1的电流密度下,比容量达到210 mAh·g^-1,循环1000圈后,电池依然具有较高的容量保持率(85.7%)。本工作的导电聚合物包覆活性物质的策略可为发展高稳定柔性储能器件提供新思路。     

烯碳材料在人工肌肉领域的应用进展

随着仿生机器人、智能控制及人工智能等领域的发展,传统的机械驱动方式已无法满足相关领域对致动系统提出的柔性、高效及多源刺激响应性等要求,因此需发展新型的人工肌肉材料。以碳纳米管和石墨烯为代表的烯碳材料具有轻质、高强、高电导率和柔性等特征,在人工肌肉领域展现出了巨大的应用潜力。以烯碳材料为基元构筑宏观组装体材料,或以烯碳材料为添加相制备纳米复合材料,可在微观和宏观架起桥梁,实现烯碳材料在人工肌肉领域的应用。本文基于上述两种应用形式,综述了烯碳材料在人工肌肉领域的应用进展。首先从一维纤维和二维薄膜的烯碳人工肌肉宏观表现形态出发,介绍了既作为结构材料,又提供了响应、驱动功能的烯碳材料在人工肌肉中的应用。接着从机电性能、可编程的响应形变以及传感功能三个方向,介绍了烯碳材料作为增强赋能相在人工肌肉材料中的功能性应用。最后阐述了基于烯碳材料人工肌肉的机遇与挑战。     

二维光催化材料电子结构和性能调控策略研究进展

Two-dimensional photocatalytic materials have potential applications in the fields of environmental purification and energy conversion owing to their rich surface active sites, unique geometric structures, adjustable electronic structures, and good photocatalytic activities. At present, the main two-dimensional photocatalytic materials include metal oxides, metal composite oxides, metal hydroxides, metal sulfides, bismuth-based materials, and non-metallic photocatalytic materials. The absorption of photons in bulk materials or nanoparticles is often limited by the transmittance and reflection at the grain boundary, while the two-dimensional structure can provide a large specific surface area and abundant surface low-coordination atoms to obtain more UV visible light. In addition, the smaller atomic thickness of two-dimensional photocatalytic materials can shorten the carrier migration distance. Thus, in two-dimensional photocatalytic materials, the carriers generated in the interior migrate to the surface faster than that in the bulk materials, which can reduce the recombination of photogenerated carriers and facilitate the photocatalytic reaction. For the surface redox reaction, the two-dimensional structure can provide more abundant surface-active sites to accelerate the reaction process. Additionally, when the thickness is reduced to the atomic scale, the escape energy of atoms is relatively small, thereby increasing the surface defects, which is helpful for the adsorption and activation of target molecules. Thus, the synthesis methods and performance enhancement strategies of two-dimensional photocatalytic materials have been developed rapidly. The former strategies mainly focus on the adjustment of morphology and geometric structure characteristics, which cannot fully meet the design requirements of efficient and stable photocatalysts. The photocatalytic performance and stability can be improved by surface design to construct abundant active sites and adjust the electronic structure. Research on the reaction mechanism of photocatalysis can help us understand the demand for photocatalytic structure characteristics in different reactions, thereby guiding the design of photocatalysts. In this paper, the advances in surface design and electronic structure regulation strategies of two-dimensional photocatalytic materials are reviewed from three aspects: light absorption; charge separation; and active sites, including element doping, heterojunction design, defect construction, single atom modification, and plasmonic metal loading. The effects on the reaction mechanism for typical air pollutant purification by regulating the electronic structure of two-dimensional photocatalytic materials are summarized. Finally, the problems and challenges associated with the development of two-dimensional photocatalytic materials are analyzed and discussed.      

基于单原子催化剂的光热催化转化：原理和应用

在以碳中和为目标的全球共识下,太阳能作为一种取之不竭用之不尽的绿色环保能源被认为是替代传统化石燃料最有潜力的方式。在各种太阳能转换技术中,光热催化不仅可以最大化利用太阳能,在光场和热场双重驱动力作用下,还可以显著提升化学反应速率,引起广泛的研究兴趣。以孤立的单个原子均匀分散在载体上形成的单原子催化剂具有100%原子利用率、优异的催化活性、热稳定性等优势。因此,将单原子催化剂应用于光热催化开始受到越来越多的关注。本综述介绍了光催化、热催化和光热催化的基本原理和特征,同时列举一些典型的例子。随后以不同载体作为分类标准,总结了单原子光热催化应用的前沿研究进展。最后,提出了该催化体系所面临的挑战和未来的发展方向。本文旨在全面了解单原子催化剂在太阳能驱动光热催化领域的研究现状并为未来发展提供可行的建议。