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。     

石墨烯及其复合材料在锂离子电池中的应用

石墨烯是一种单原子层厚度的石墨材料,具有独特的二维结构和优异的电学、力学以及热学性能。同时它也是一种具有良好应用前景的锂离子电池电极材料。电极材料的微观结构对其性能有很大影响,利用石墨烯获得具有特殊形貌和微观结构的电极材料,能有效改善材料的各项电化学性能。本文综述了石墨烯及其复合材料在锂离子电池中的应用研究进展。在负极复合材料中,石墨烯不仅可以缓冲材料在充放电过程中的体积效应,还可以形成导电网络提升复合材料的导电性能,提高材料的倍率性能和循环寿命。通过优化复合材料的微观结构,例如夹层结构或石墨烯片层包覆结构,可进一步提高材料的电化学性能。在正极复合材料中,石墨烯形成的连续三维导电网络可有效提高复合材料的电子及离子传输能力。此外,相比于传统导电添加剂,石墨烯导电剂的优势在于能用较少的添加量,达到更加优异的电化学性能。最后对石墨烯复合材料的研究前景进行了展望。     

石墨烯玻璃:玻璃表面上石墨烯的直接生长

玻璃是一种历史悠久、用途广泛的无定形硅酸盐材料,而石墨烯则是近年来发现的仅由碳原子组成的二维层状材料。石墨烯具有超高的机械强度、导电性、导热性和透明性,恰好与传统的玻璃形成互补。将石墨烯与玻璃结合在一起,在保持透明性的基础上,同时赋予普通玻璃导电性、导热性和表面疏水性,具有非常重要的实际意义和理论价值。相比于液相涂膜或者转移的方法,直接在玻璃表面生长石墨烯能够从根本上避免由于污染和破损引起的石墨烯性能的下降,从而发展出一种新型材料——石墨烯玻璃。本文介绍了我们研究组在各种玻璃表面直接生长石墨烯的研究进展,其中包括石墨烯在固态耐高温玻璃和熔融态玻璃表面的高温生长,以及利用等离子体辅助手段实现石墨烯在普通玻璃表面的低温生长,并以此为基础发展出多种基于石墨烯玻璃的应用实例。总结展望了石墨烯玻璃的制备和应用的未来挑战与发展方向。     

用于超级电容器电极材料的石墨烯基纳米复合物的种类和研究现状

超级电容器是目前研究较多的新型储能元件,其大的比电容、高的循环稳定性以及快速的充放电过程等优良特性,使其在电能储存及转化方面得到广泛应用。超级电容器的电极材料是它的技术核心。石墨烯作为一种新型的纳米材料,具有良好的导电性和较大的比表面积,可作为超级电容器的电极材料。利用其他导电物质对石墨烯进行改性和复合,可以在保持其本身独特优点的同时提高作为电极材料的导电率、循环稳定性等其他性能。本文从半导体/石墨烯复合材料、金属及金属氧化物/石墨烯复合材料、石墨烯/导电聚合物复合材料3个方面综述了复合改性后的石墨烯在超级电容器电极材料方面的研究进展。通过对各复合物电极材料的制备方法和性能的对比分析,指出石墨烯基复合物作为超级电容器的电极材料的未来研究内容是开发低成本、高比容量和高循环稳定性的复合物。     

石墨烯透明导电薄膜

石墨烯是一种新型二维晶体材料,它独特的单原子层结构显示出许多优异的物理化学性质。以石墨烯为原料制备的透明导电薄膜继承了石墨烯的优点,与氧化铟锡(ITO)薄膜相比,具有更好的力学强度、透光性以及化学稳定性,已逐渐成为全世界范围内的研究热点。本文首先介绍了石墨烯的光电性能,然后分别从石墨烯透明导电薄膜的前驱体和制备方法两个不同的角度,归纳总结了最近几年石墨烯透明导电薄膜的研究进展,就目前所面临的问题进行了讨论,并展望了石墨烯透明导电薄膜的未来发展。     

石墨烯包覆天然球形石墨作为锂离子电池的负极材料，是否需要乙炔黑导电剂？

我们通过包覆炭化的方法制备得到了石墨烯包覆的天然球形石墨(G/SG)材料,并使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪以及多种电化学测试手段考察了不同石墨烯含量的复合材料的形貌结构及电化学性能。我们发现,在不添加乙炔黑(AB)的情况下,G/SG复合材料表现出较高的首次库伦效率,很好的循环稳定性和高倍率性能。当石墨烯包覆量为1%时,材料50次循环后的可逆容量可与添加10%AB的天然石墨电极(SG)等同;当石墨烯包覆量为2.5%时,材料的比容量完全高于添加10%AB的石墨电极。材料电化学性能的改善归因于石墨烯的包覆。一方面,石墨烯的柔软可变性可以保证天然石墨颗粒在充放电过程中的结构完整性,从而有效改善材料的循环稳定性;另一方面,石墨烯的存在提高了电极的导电性,促进更好导电网络的形成。因此,石墨烯包覆天然球形石墨材料中,石墨烯不仅是活性物质,也发挥导电剂的作用。当添加5%的乙炔黑时,在50 mA·g^-1电流循环50次后,5%G/SG电极的可逆容量从381.1 mAh·g^-1提高到404.5 mAh·g^-1,在1 A·g^-1电流时可逆容量从82.5 mAh·g^-1提高到101.9 mAh·g^-1,这表明G/SG电极仍然需要乙炔黑导电剂。乙炔黑颗粒填充在复合材料的空隙中,通过点接触的形式连接到G/SG颗粒,与石墨烯协同作用形成了更加有效的导电网络。尽管石墨烯包覆和乙炔黑添加对天然石墨电极具有积极的影响,例如增加了天然石墨电极的导电性和储锂性能(包括可逆容量,倍率性能和循环性能),但随着石墨烯或乙炔黑的增加,电极密度通常会降低。因此,在实际应用中应考虑石墨负极材料的质量和体积容量的平衡。这些结果对天然石墨的进一步商业应用具有重要意义。我们的工作为天然石墨电极在锂电池中的电化学行为提供了一种新的认识,并且有助于制备更高性能的负极材料。     

炭-/石墨烯量子点在超级电容器中的应用

炭-/石墨烯量子点作为新兴的炭纳米材料,因具有独特的小尺寸效应和丰富的边缘活性位点而在高性能超级电容器电极材料的研发方面展现出巨大潜力。针对目前炭-/石墨烯量子点在超级电容器电极材料方面的应用优势和存在的关键问题,本文以炭-/石墨烯量子点、量子点/导电炭复合材料、量子点/金属氧化物复合材料、量子点/导电聚合物复合材料以及量子点衍生炭这些电极材料为脉络,梳理了近年来该领域的发展状况,尝试阐释炭-/石墨烯量子点在电极材料、复合材料和衍生炭电极材料中所起到的关键作用,最后对炭-/石墨烯量子点电极材料的发展进行了展望。本综述以期为炭-/石墨烯量子点基电极材料的研究提供一定参考和依据。     

石墨烯在复合热电材料中的应用

热电材料是一种可以实现热能与电能之间直接相互转换的功能材料,在温差发电和热电制冷方面具有广阔的应用空间。石墨烯是一种单原子层厚度的二维碳材料,具有特殊的晶体结构和优异的物理化学性质。大量研究表明石墨烯优异的电学性能、超大的比表面积以及多样的边界结构有利于材料电、热性能的协同调控,使其在热电领域有较大的应用潜力。本文结合热电材料的性能特点,从石墨烯的结构与性能入手,综述了石墨烯自身作为热电材料时结构与性能的优化关系,并总结归纳了石墨烯与Bi₂Te₃、CoSb₃等传统无机热电材料以及与导电高分子热电材料构成纳米复合块体和薄膜时,对材料结构与热电性能的影响,并结合现存的问题对石墨烯在热电领域中的应用进行了展望。     

基于喷墨打印石墨烯透明导电薄膜研究进展

随着柔性电子产品的应用日渐广泛,采用喷墨打印技术制备大面积柔性电子产品的技术引起了人们的关注。石墨烯由于具有优异的光学和机械性能,成为制备透明导电薄膜的理想材料。石墨烯可以通过物理或化学方法制备得到。而喷墨打印技术因具有成本低廉、操作简单等优点成为制备大面积柔性电子产品的方法之一。本文首先对石墨烯的性质和制备方法进行了简述,然后分别阐述了喷墨打印墨水条件和喷墨打印图案化控制,最后总结了透明导电薄膜的应用进展以及发展趋势。     

石墨烯基三维导电网络结构储能电极材料的研究进展

设计和构筑有效的三维导电网络结构对于优化储能电极材料的性能具有重要意义.石墨烯独特二维结构所具有的超高电荷传导、极大的表面负载空间和可形成三维孔(层)隙骨架结构等特性为制备多样化的复合电极材料提供了基础.本文介绍了近年来基于石墨烯的三维网络结构复合电极材料的构筑及其在电化学储能(如锂离子电池、锂硫电池)应用中的研究进展,结合本实验室的研究工作,着重介绍了石墨烯基复合电极材料结构设计的科学原理,讨论了几种石墨烯复合结构,并对未来石墨烯复合结构体系的构筑及其应用作了展望.     

具有三维导电网络结构的锡纳米颗粒/石墨烯纳米片复合电极材料的储镁性能研究

镁二次电池具有安全性高、价格低廉等优点,是一种具有潜在应用前景的高能量密度电池体系.目前,镁二次电池的研究重点之一是寻找合适的电极材料.最近,我们通过水热和热处理相结合的方法成功制备了具有三维导电网络结构的锡纳米颗粒/石墨烯纳米片复合电极材料.研究发现,在石墨烯的三维导电网络片层上,均匀分布了粒径小于100 nm的锡纳米颗粒.将锡纳米颗粒/石墨烯纳米片复合材料作为镁二次电池电极材料,当电流密度为15 mA·g^-1和300 mA·g^-1时,首次放电容量分别达到了545.4 mAh·g^-1和238.8 mAh·g^-1,经过150圈后,容量保持率达到了93%,库伦效率为99%,表现出了较高的电化学活性.研究还发现,镁离子嵌入复合材料中形成镁锡合金,当镁离子脱出后,再次形成锡纳米颗粒/石墨烯纳米片复合电极材料,镁离子的脱出和嵌入具有很高的可逆性.这对未来研究设计高性能镁离子电极材料具有十分重要的意义.     

氧化石墨烯和石墨烯在催化领域中的应用研究进展

石墨烯具有独特的二维平面结构,其导电性能好,比表面积大,耐酸碱,耐高温.基于石墨烯的优异特性,本文作者从材料的合成和结构等方面对石墨烯基催化剂的研制及其催化性能进行了评述.介绍了石墨烯催化体系的类型和机理,对石墨烯催化中存在的问题进行了简单分析,并对石墨烯在催化领域的应用前景进行了展望.     

新研究发现改进石墨烯材料性能的途径

正据新华社电一项新研究发现,石墨烯的纯度问题可能是限制这种新材料广泛应用的一个障碍。减少石墨烯中的硅污染有望提升其性能表现,充分发挥石墨烯在工业界的应用潜能。石墨烯是从石墨材料中分离出来的、由一层碳原子组成的二维材料。它具有轻薄、强韧、导电和导热效率高等性能,是被工业界寄予厚望的新一代材料。但石墨烯的实际表现却不尽人意,在工业界普及的速度也不够理想。澳大利亚皇家墨尔本理工大学研究人员领衔的团队在英国《自然-通讯》期刊上报告说,他们利     

三维石墨烯-聚合物复合材料制备方法研究进展

石墨烯是一种具有蜂窝状结构的二维纳米碳材料,具有高的比表面积、优异的导电/热性和理想的机械强度,因而被广泛用作聚合物基复合材料的增强填料。将二维石墨烯片构筑成三维石墨烯,既能充分发挥二维石墨烯片的性质,又能具备三维材料的特性。聚合物填充三维石墨烯制备的实心三维石墨烯-聚合物复合材料(Three-Dimensional Graphene-Polymer Composites,3DGPCs),可实现石墨烯在基体中的均匀分散,制备具有优异力学性能的导电、导热复合材料。以石墨烯三维网络为骨架制备的多孔3DGPCs具有高孔隙率、大比表面积和高电子传输能力等特性,可广泛应用于能量存储、环境保护、传感、电磁屏蔽和油污清理等领域。本文综述了3DGPCs的制备方法,并评述了制备3DGPCs所面临的挑战及发展前景。     

石墨烯-聚苯胺杂化超级电容器电极材料

聚苯胺是一类具有超高比电容的导电高分子材料, 利用其与石墨烯的协同效应, 改善各自的固有缺点, 可以制得高性能的超级电容器. 本文综述了石墨烯-聚苯胺杂化电极材料的制备方法和石墨烯表面性质对电极材料电化学性能的影响, 讨论了优化杂化电极的结构与性能.     

氮掺杂石墨烯的制备及其在化学储能中的研究进展

石墨烯独特的二维空间结构使其具有优异的导电性能、力学性能以及超大的比表面积,被认为是颇具潜力的新型储能材料,是目前储能研究的热点之一。 但是石墨烯易团聚、表面光滑且呈惰性而不利于与其它材料的复合,导致其应用受到限制。 石墨烯掺氮可改变其电子结构,增加表面的活性位,从而提高其应用于储能器件时的电化学性能。 本文综述了近几年氮掺杂石墨烯的制备方法以及其在超级电容器、锂离子电池、锂空电池以及锂硫电池等化学储能领域中的应用,指出了目前氮掺杂石墨烯在制备和储能应用中关注的核心问题,并对氮掺杂石墨烯的发展前景进行了展望。     

导电油墨及其应用技术进展

印刷电子是将传统印刷工艺应用于电子产品制造的新型工艺技术,导电油墨是印刷电子关键材料之一,受到了人们的广泛关注。为了全面了解并把握导电油墨及其应用发展动态,本文结合近年来导电油墨领域文献及研究工作情况,综合分析了导电油墨的分类、构成以及其印刷工艺技术和印刷装备情况,指出导电油墨的主要发展方向在于既要开发新型功能材料（如碳纳米管、石墨烯等）在导电油墨中的应用技术,又要提高印刷成膜后导电材料间的互联性能,解决印刷电路与其它器件间的连线问题。     

生物质羟基磷灰石作为模板制备三维石墨烯（英文）

三维石墨烯(3DG)被广泛研究用于能量存储和转换器件中的导电框架材料。化学气相沉积(CVD)是制备品质三维石墨烯的重要方法,其中选择合适的模板材料对于调控石墨烯形貌和成本至关重要。在此,本文使用牛骨灰这一廉价易得的生物废弃物作为CVD模板,制备了高品质三维石墨烯。这种三维石墨烯表现出"双连续"的微观结构,即石墨烯框架及其空隙均是连续的,因而可以作为导电框架材料用于电化学储能器件。我们将硫均匀负载于三维石墨烯作为高性能锂-硫电池的正极材料,其在高倍率(2C)下具有约550 mAh·g~(-1)的高比容量。此外,将牛骨灰模板蚀刻后所得溶液可作为原料用于磷酸生产,实现了高的原子利用率。这一工作将石墨烯制备与成熟的磷化工产业结合,发展了一种低成本、高原子经济性地制备三维石墨烯的新途径。     

超级电容器用石墨烯-聚苯胺复合材料的研究进展

超级电容器具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长和维护成本低的特点,在电动车动力电池领域具有潜在的应用前景。超级电容器性能主要由其电极材料所决定。聚苯胺易合成、理论比容量高,而且导电性能优异,作为超级电容器电极材料有很高的应用价值。但是,在长期使用过程中,它的体积容易发生膨胀或收缩,循环寿命差。为了解决这个问题,将聚苯胺与石墨烯复合可以扬长避短,充分利用两者之间的协同效应,赋予复合材料优异电化学电容性能。本文综述了超级电容器用石墨烯-聚苯胺复合材料的制备方法,包括原位聚合法、油水界面合成法、电化学合成法、层层自组装法等;提出了三维网状石墨烯和对石墨烯-聚苯胺复合材料进行改性来提高复合材料的电化学电容性能的思路。     

碳纳米管与石墨烯在储能电池中的应用

当今社会日益增长的能源与环境需求对储能电池技术的发展既是机遇也是严峻的挑战。纳米碳材料如碳纳米管与石墨烯因其优异的导电能力、良好的机械性能以及独特的形貌与结构特征在储能电池技术领域中的应用越来越普遍。本文通过综述近年来碳纳米管与石墨烯分别作为锂离子电池的复合电极材料、负极活性材料、导电添加剂以及新型锂硫电池用复合导电载体的最新应用进展,重点讨论了这两类纳米碳材料的不同应用模式对储能电池容量性能、倍率性能以及循环寿命的影响。同时对目前研究中存在的问题进行了总结,并对未来发展方向,如开发低成本与环境友好的高质量材料合成技术、提升材料的分散能力以有效构筑复合电极结构以及开发新的应用模式等进行了展望。