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。     

氮掺杂有序介孔少层碳: 一种新型高比电容电极材料

正碳材料具有丰富的结构构型、奇特的电子结构和非凡的物理性质。比如,单质碳的结构构型包括三维的金刚石、二维的石墨烯、一维的纳米碳管、零维的富勒烯球;其导电性能迥异,禁带宽度从金刚石的E_g=5.47 eV、C60的E_g=1.5 eV、半导型碳纳米管的E_g0 eV和金属型E_g=0 eV、到石墨或石墨烯的0 eV。这些特征为碳材料结构的设计和剪裁提供了便利,因此碳材料用作高性     

石墨烯化聚合物:一种兼具电子和离子传输通道的三维富碳高分子能源材料

近年来,用于电化学能源存储和转化的石墨烯材料,得到了研究者们越来越多的关注。但是,这些石墨烯材料不同于严格定义的单原子碳层结构,往往具有孔洞、杂原子和化学官能团等缺陷结构。由于制备方法的不同,缺陷结构各不相同,其电化学性能也表现各异。结构分析表明,这类材料是由类似石墨烯片段的单元与聚合物链共价连接而成,使其具有石墨烯和聚合物的双重特性,我们称之为石墨烯化聚合物。由小分子通过自下而上的方法制备的多孔聚合物,也可以通过进一步热交联等方法,使其形成包含石墨烯片段单元与聚合物链的化学结构。这些材料与石墨烯衍生材料一起组成了石墨烯化聚合物的整个谱系;这个谱系涵盖了由聚合物到石墨烯的过渡区。更重要的是,这类材料特殊的结构与性质,使其成为一种兼具电子和离子传输通道的三维富碳高分子材料,非常适合作为电极材料应用于电化学能源存储和转化,这为我们深入研究储能器件中电极材料的结构与性能的相关关系提供了很好的材料平台。     

碳模板诱导生长Fe-Nx活性位点

能源危机和环境恶化是当今社会面临的巨大挑战. 燃料电池作为一种高效、清洁的发电装置,受到了社会各界特别是新能源行业的高度关注. 尤其是, 日本丰田推出Mirai燃料电池汽车量产上市计划, 把燃料电池及其关键技术发展推向了一个新的发展纪元. 然而, 制约燃料电池走向大规模商业化的核心问题依然是其综合性能不具竞争力. 其中, 氧电极的缓慢动力学以及贵金属Pt的有限资源、高昂成本等是关键所在, 因此, 亟待实现高性能非贵金属催化剂的突破.近年来, 大量研究表明, Fe-Nx掺杂的碳催化剂具有极大的代Pt潜力, 研究者们尝试各种手段进行开发,如: 调控Fe化合物及N前驱体的类型与添加量, 改变温度、压力等合成条件, 采用轴向配位体连接、共价接枝、球磨等非热解路线, 构建核壳、有序介孔碳、阵列、类石墨烯薄片、多孔碳等碳纳米结构, 制备石墨烯/碳纳米管、石墨烯/碳黑、碳纳米带/碳纳米管、碳纳米颗粒/碳纤维、碳球/碳纳米管/石墨烯等复合材料, 进行酸洗、造孔、二次加热等后处理, 调控不同类型Fe物种相生成等. 此外, EXAFS及M?ssbauer等谱学技术已经证实Fe-Nx特别是Fe-N4为强活性位点. 因此, 有待提出合理策略以促进非贵金属碳催化剂中Fe-Nx强活性位点的高密度掺杂.本文提出了一种碳模板诱导Fe-Nx活性位点生长的方法即通过高温热解含有Fe盐的三聚氰胺前驱体混合物, 成功制备 了Fe-Nx掺杂的碳催化剂, 并结合多种表征技术证实了碳模板对制备碳催化剂结构组成及电化学性能的影响. 形貌结果说明, 碳模板的引入有利于Fe、N化合物的均匀吸附以至于Fe基纳米颗粒的均一成核, 促使竹状碳纳米管在碳模板表面以及中间均一生长; 氮气吸脱附及孔径分布曲线显示, 引入碳模板形成的复合材料较单一的碳纳米管和碳黑材料具有提高的比表面积和总孔体积, 说明复合材料中存在两种单体的有效协同; M?ssbauer、XPS及XRD测试数据证实, 碳模板可以调控Fe、N两种元素的耦合方式, 能够抑制金属Fe和Fe碳化物等非活性Fe物种的生成、诱导Fe-N4和其它Fe氮化物等强活性Fe-Nx物种的生长. 电化学测试数据表明, 复合材料具有提升的面积活性和质量活性, 且TOF值明显提高, 说明碳模板的引入增强了Fe-Nx位点的本征活性; 此外, 复合材料的氧还原过程为高效的4e-途径, 且较商业Pt/C催化剂表现出了优异的循环稳定性和甲醇耐受性.     

碳模板诱导生长Fe-N_x活性位点（英文）

能源危机和环境恶化是当今社会面临的巨大挑战.燃料电池作为一种高效、清洁的发电装置,受到了社会各界特别是新能源行业的高度关注.尤其是,日本丰田推出Mirai燃料电池汽车量产上市计划,把燃料电池及其关键技术发展推向了一个新的发展纪元.然而,制约燃料电池走向大规模商业化的核心问题依然是其综合性能不具竞争力.其中,氧电极的缓慢动力学以及贵金属Pt的有限资源、高昂成本等是关键所在,因此,亟待实现高性能非贵金属催化剂的突破.近年来,大量研究表明,Fe-N_x掺杂的碳催化剂具有极大的代Pt潜力,研究者们尝试各种手段进行开发,如:调控Fe化合物及N前驱体的类型与添加量,改变温度、压力等合成条件,采用轴向配位体连接、共价接枝、球磨等非热解路线,构建核壳、有序介孔碳、阵列、类石墨烯薄片、多孔碳等碳纳米结构,制备石墨烯/碳纳米管、石墨烯/碳黑、碳纳米带/碳纳米管、碳纳米颗粒/碳纤维、碳球/碳纳米管/石墨烯等复合材料,进行酸洗、造孔、二次加热等后处理,调控不同类型Fe物种相生成等.此外,EXAFS及M?sbauer等谱学技术已经证实Fe-N_x特别是Fe-N_4为强活性位点.因此,有待提出合理策略以促进非贵金属碳催化剂中Fe-N_x强活性位点的高密度掺杂.本文提出了一种碳模板诱导Fe-N_x活性位点生长的方法即通过高温热解含有Fe盐的三聚氰胺前驱体混合物,成功制备了Fe-N_x掺杂的碳催化剂,并结合多种表征技术证实了碳模板对制备碳催化剂结构组成及电化学性能的影响.形貌结果说明,碳模板的引入有利于Fe、N化合物的均匀吸附以至于Fe基纳米颗粒的均一成核,促使竹状碳纳米管在碳模板表面以及中间均一生长;氮气吸脱附及孔径分布曲线显示,引入碳模板形成的复合材料较单一的碳纳米管和碳黑材料具有提高的比表面积和总孔体积,说明复合材料中存在两种单体的有效协同;M?sbauer、XPS及XRD测试数据证实,碳模板可以调控Fe、N两种元素的耦合方式,能够抑制金属Fe和Fe碳化物等非活性Fe物种的生成、诱导Fe-N4和其它Fe氮化物等强活性Fe-N_x物种的生长.电化学测试数据表明,复合材料具有提升的面积活性和质量活性,且TOF值明显提高,说明碳模板的引入增强了Fe-N_x位点的本征活性;此外,复合材料的氧还原过程为高效的4e–途径,且较商业Pt/C催化剂表现出了优异的循环稳定性和甲醇耐受性     

石墨烯纳米带的可控制备研究进展

石墨烯纳米带是宽度为纳米尺度的石墨烯条带,根据其边缘构型的不同可以分为锯齿型石墨烯纳米带和扶手型石墨烯纳米带.纳米尺度导致的量子限域效应和边缘构型引起的边缘效应能够调节石墨烯纳米带的电子结构,打开石墨烯的带隙.而且,石墨烯纳米带具有极大的长宽比和极高比例的边缘原子,为通过结构裁剪实现功能定制提供了无限可能.这些几何和电子结构特性使得石墨烯纳米带在电子器件等诸多领域比石墨烯具有更大的应用潜力,因此,石墨烯纳米带的相关研究一直是纳米材料领域的热点.基于此,本综述首先介绍了石墨烯纳米带的结构和性质,全面介绍了石墨烯纳米带的制备方法,相应的制备方法可以分为两部分:(1)自上而下法:通过等离子体、离子束、扫描隧道显微镜和金属纳米颗粒对石墨烯和碳纳米管进行刻蚀和切割,制备石墨烯纳米带.该方法面临最大挑战在于如何提高刻蚀和切割精度.(2)自下而上法:利用含碳前驱体,如有机化合物、碳氢化合物气体以及碳化硅等,制备石墨烯纳米带.该方法利于实现原子精度的结构控制,尤其是化学气相沉积法有望实现低成本、规模化制备.最后展望石墨烯纳米带研究的挑战和前景.我们相信,随着材料和技术的创新发展,石墨烯纳米带必将成为一...     

刺激响应纳米碳杂化材料

碳纳米管和石墨烯是碳纳米材料的典型代表,其纳米尺度赋予了其优异的光、电、热以及机械性能。然而,这些碳纳米材料间存在较强的范德华力,导致其溶解性差,后续加工处理困难。为提高碳纳米材料的溶解性,通常利用聚合物或其它小分子物质对其进行修饰。而利用刺激响应性聚合物或化合物功能化碳纳米材料,不仅可以提高其溶解性,还可以赋予其环境刺激响应功能。本文主要综述了近年来利用温度、pH、光以及CO2响应聚合物或小分子化合物对碳纳米管和石墨烯进行共价键、非共价键修饰并赋予其环境刺激响应特性的方法、功能和相关应用,展望了修饰得到的纳米碳杂化材料的应用前景及下一步发展方向。     

苯环共价功能化碳纳米管电性理论研究

通过4种键连方式将苯环共价连接到超晶胞为1×1×3的锯齿型单壁碳纳米管CNT(8,0)上.在密度泛函理论基础上,通过Siesta软件计算苯环共价功能化碳纳米管的几何结构、能带结构、态密度和波函数,分析键连方式对碳纳米管电性的影响.结果表明苯环通过4种键连方式共价功能化的碳纳米管都是在Γ点具有直接带隙的半导体.其中直接键连和酰胺键连得到的苯环功能化碳纳米管在费米能级附近产生杂质带,比纯CNT带隙减小约0.4e V.而通过2个亚甲基键连和吡咯烷键连2种方式功能化的碳纳米管,其带隙仅比纯CNT带隙减小0.1~0.15e V.     

碳团簇的结构及其演进

碳团簇是一种新型的碳材料,自20世纪80年代被发现以来,就以其独特的结构和优越的性能而在科学界掀起了研究狂潮。碳团簇的范畴非常广泛,小到气相中的单个碳原子,大到富勒烯、碳纳米管、碳纳米锥、石墨烯等都可以看作是碳团簇的存在形式。研究碳团簇的结构及其演进,解开碳团簇形成机理之谜,对开拓新型碳团簇材料的结构和应用都具有重要意义。本文对碳团簇的结构及其演进过程进行了回顾,并概述了目前碳团簇的合成方法、碳团簇结构的表征手段以及碳团簇演进的研究现状。     

碳纳米材料在修饰电极领域的应用

碳纳米材料具有良好的力学、电学及化学性能等特点,被人们广泛研究,特别是具有大比表面积、高的电导率和良好生物相容性的碳纳米管和石墨烯更是研究的热点,在电化学领域显示出独特的优势.采用碳纳米材料修饰的电极具有高灵敏度、高选择性及优良的媒介作用.主要阐述了碳纳米材料在修饰电极领域中的应用,从功能及应用上重点探讨了近年来碳纳米管、石墨烯、富勒烯、纳米金刚石等碳纳米材料在修饰电极领域的研究进展.     

A review of linear carbon chains

Linear carbon chains (LCCs) are a one-dimensional sp¹-hybridized allotrope of carbon. LCCs are extremely unstable: The longer the LCCs, the less stable the materials. Thus, it is a big challenge to synthesize long LCCs. Although the research on the short LCCs, e.g., polyynes, can be traced back to the 18^th, LCCs are still not well-known compared to other allotropes of carbon, e.g., fullerenes, carbon nanotubes and graphene. Therefore, introducing recent progress on LCCs is of great significance to draw more attention in the community of nanocarbons as well as nanomaterials in general. Theoretically, various excellent properties have been predicted. Experimentally, LCCs with different length in many kinds of forms have been successfully synthesized. In this review, we summarized recent studies of polyynic LCCs from both theoretical and experimental aspects. Also, perspectives are highlighted to point out the further investigations of the materials.     

Carbon nanotubes and graphene in analytical sciences

Nanosized carbon materials are offering great opportunities in various areas of nanotechnology. Carbon nanotubes and graphene, due to their unique mechanical, electronic, chemical, optical and electrochemical properties, represent the most interesting building blocks in various applications where analytical chemistry is of special importance. The possibility of conjugating carbon nanomaterials with biomolecules has received particular attention with respect to the design of chemical sensors and biosensors. This review describes the trends in this field as reported in the last 6?years in (bio)analytical chemistry in general, and in biosensing in particular.

Isoelectronic doping of graphdiyne with boron and nitrogen: stable configurations and band gap modification

Graphdiyne, consisting of sp- and sp(2)-hybridized carbon atoms, is a new member of carbon allotropes which has a natural band gap ~1.0 eV. Here, we report our first-principles calculations on the stable configurations and electronic structures of graphdiyne doped with boron-nitrogen (BN) units. We show that BN unit prefers to replace the sp-hybridized carbon atoms in the chain at a low doping rate, forming linear BN atomic chains between carbon hexagons. At a high doping rate, BN units replace first the carbon atoms in the hexagons and then those in the chains. A comparison study indicates that these substitution reactions may be easier to occur than those on graphene which composes purely of sp(2)-hybridized carbon atoms. With the increase of BN component, the band gap increases first gradually and then abruptly, corresponding to the transition between the two substitution motifs. The direct-band gap feature is intact in these BN-doped graphdiyne regardless the doping rate. A simple tight-binding model is proposed to interpret the origin of the band gap opening behaviors. Such wide-range band gap modification in graphdiyne may find applications in nanoscaled electronic devices and solar cells.     

碳纳米管的定向操作

由于呈现独特的一维结构特征、机械及电子性能,碳纳米管已引起广泛的兴趣,然而涉及到具体的应用就不可避免碳纳米管的定位、定向,这也已成为非常富有挑战性的课题。本文中笔者主要介绍碳纳米管定向操作的最新进展,重点介绍后生长的平面有序定向操作。     

Synthesis and Application of Carbon Nanotubes

Owing to the unique structure, the superior physical and chemical properties, the super strong mechanical performances, and so on, carbon nanotubes have attracted the attention of researchers all over the world. In this article, the basic properties and the main production processes of carbon nanotubes are introduced in brief, and the progress of applied research for carbon nanotubes is reviewed.     

Application of carbon-based nanomaterials in sample preparation: A review

In this paper, a broad overview on the applications of different carbon-based nanomaterials, including nanodiamonds, fullerenes, carbon nanotubes, graphene, carbon nanofibers, carbon nanocones-disks and nanohorns, as well as their functionalized forms, in sample preparation is provided. Particular attention has been paid to graphene because many papers regarding its application in this research field are becoming available. The distinctive properties, derivatization methods and application techniques of these materials were summarized and compared. According to their research status and perspective, these nanomaterials were classified in four groups (I: graphene and carbon nanotubes; II: carbon nanofibers; III: fullerenes; and IV: nanodiamonds, carbon nanocones/disks and carbon nanohorns) and characteristics and future trends of every group were discussed.     

《碳纳米材料电化学》专辑序言 ——方兴未艾的电化学能量转换和存储先进材料和技术

可以预见,在相当一段时期内,能源和环境将是全球发展的两大主题. 其实,人类对能源的获取方式将对地球的生态环境和人类未来的生存状态和生活方式产生重要影响. 正因为如此,世界各国正在大力发展可再生能源和清洁能源. 电化学能源是将化学能高效转变为电能的一种能量转换方式,它历史悠久,但不断被改进和创新,尤其是近年来得到了较快的发展. 目前,电化学能源转换和存储器件主要包括一次电池（如锌锰电池等）、二次电池（如铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等）、燃料电池、金属-空气电池以及超级电容器等. 电化学能源和其它可再生能源相互补充、交叉利用将是未来清洁能源的主要发展方向.     

基于上转换发光的碳量子点制备及应用研究

碳量子点具有易制备、低毒性、化学惰性高、荧光特性稳定等特点,和其他碳纳米材料(如富勒烯、碳纳米管和石墨烯等)一样引起了研究者的广泛关注。本文将从碳量子点的合成、特性、改性和应用等方面进行阐述,并对其受长波长光激发后可发出短波长光的这一上转换发光特性进行重点综述,为今后碳量子点的合成、改性以及应用提供一定的参考。     

Heteroatom Doped Graphdiyne and Analogues:Synthesis,Structures and Applications

As a new carbon allotrope,graphdiyne(GDY)has shown intensive practical application prospects in the energy field,catalysis,gas separation,etc.,due to its unique 2D π-conjugated structure,rich sp-hybridized carbon atoms and semiconductor characteristics.Considerable efforts have been made to the development of well-defined GDY materials in recent years.The doping heteroatoms can further tune the structures,semiconductor properties of GDY,and expand the promising applications.This review summarized a comprehensive development of heteroatom doped GDYs,including their synthesis,structures,properties,applications in nanotechnology,as well as the forecast in the future.     

纳米碳点的制备与应用研究进展

纳米碳点是碳纳米材料家族的新成员,近年来在国内外受到广泛关注。与传统的荧光染料和半导体量子点发光材料相比,碳点不仅具有优异的光学性能及尺寸效应,且具有制备成本低廉、生物相容性好、易于官能化、能带结构可调等优势。本文在理清有关碳点概念的基础之上,介绍了碳点结构特征和制备策略,着重综述了纳米碳点在生物成像与诊疗、传感器件、催化、光电器件和能量存储领域的最新研究进展,探讨了碳点研究目前存在的问题及未来的发展方向。