纳米碳分子——合成化学的魅力

碳材料的发展极大地推动了人类科技的进步。碳材料通过碳原子之间不同的键合方式、结构和排列，使其具有丰富的性质，并且更多新型碳材料还不断地被发现或合成出来。作为新型碳材料的纳米碳分子由于其本身所拥有的潜在优良性质，在有机电子学、材料科学如生物材料等领域具有广阔的应用前景，因此被誉为是未来最有开发前景的材料。在过去的四十年里，新型纳米碳分子的发现和创造已彻底改变了碳材料的格局，打开了一扇通往全新科学领域的大门。本文重点介绍了近年来具有新颖拓扑结构的纳米碳分子的结构特征以及如何通过有机合成的手段对其进行精准构筑。     

纳米碳/聚甲基丙烯酸甲酯复合材料的研究

采用脉冲激光轰击浸于流动液相中固体靶的方法,直接连续制备了纳米碳/PMMA的乙酸乙酯溶液,经浇膜法得到了纳米碳/聚甲基丙烯酸甲酯复合材料.光谱分析表明复合体系中存在某种作用,导致该复合材料的玻璃化转变温度明显下降.透射电镜结果表明纳米碳可与聚甲基丙烯酸甲酯形成核/壳结构,使得纳米碳均匀分散于聚合物基体中.热分析结果表明纳米碳的加入对聚甲基丙烯酸甲酯的热分解性能没有显著影响.     

纳米复合材料固定化酶的研究进展

载体材料的选择对固定化酶的性能有着至关重要的影响。纳米复合材料不仅具有纳米尺寸的特性,而且可以克服单一材料的不足,在固定化酶领域引起了广泛关注。本文就目前在固定化酶领域使用的纳米复合载体分类进行了系统的阐述,重点介绍了目前在固定化酶研究领域运用较为广泛的硅基纳米复合材料、碳基纳米复合材料和纳米纤维复合材料等材料的制备方法及不同材料对酶学性能的影响,并对这些纳米复合材料固定化酶发展前景进行了展望。     

煤基碳泡沫/聚氨酯相变复合材料的制备及储热性能

以煤基碳泡沫(CCF)作为骨架材料来封装改性固-固相变材料聚氨酯(PU),并实现其功能化应用。使用场发射扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线粉末衍射仪(PXRD)、傅里叶变换红外(FT-IR)光谱仪、热重分析仪(TGA)、差示扫描量热(DSC)分析仪、热导测试仪对所得到的复合材料(PU@CCF)进行结构和特性表征。结果显示,聚乙二醇(PEG-6000)与异氰酸酯(HDI)反应制备聚氨酯的最优摩尔比例为1:2,煤基碳泡沫可以很好地阻止聚氨酯从复合材料中泄露出来。相较于聚乙二醇,复合材料的导热率上升了54%,经过200次热循环,复合材料保持了良好的稳定性,而且其相变主体材料PU的过冷度降低了10℃以上。基于碳泡沫骨架良好的导电性,加载高于0.8V的低电压就可实现聚氨酯电热相变储能,在1.1V电压驱动下,其电热转换效率可达75%。该工作是目前报道的最低电压下可实现电热相变转换的复合功能材料,为实现低成本相变复合材料的制备与功能化提供重要参考。     

锂离子电池硅纳米粒子/碳复合材料

硅由于其超高的理论比容量有望取代石墨成为下一代锂离子电池负极材料,但是硅在充放电过程中巨大的体积膨胀(~300%)会导致材料粉化从集流体上脱落,同时不断形成固相电解质层,造成不可逆容量损失,而材料纳米化和碳复合是解决这些问题的有效手段。本文介绍了硅在循环过程中容量衰减机理,并综述了硅纳米粒子与碳材料复合的最新进展,主要包括包覆型、核壳型以及嵌入型硅碳负极材料,并对核壳型与嵌入型做了重点探究,最后对硅纳米粒子/碳复合材料存在的问题进行分析并展望其研究前景。     

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。     

WO_3纳米棒/石墨烯复合材料的制备及电化学储锂性能

以氯化钨和氧化石墨烯(GO)为原料,乙醇为溶剂,一步合成了WO3纳米棒/石墨烯纳米复合材料(WO3/RGO).将WO3/RGO纳米复合材料用于锂离子电池负极,并通过充放电测试、循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(EIS)技术综合考察了该材料的储锂性能.结果显示,在0.1C(1C=638 mA?g-1)倍率下,复合物的首次放电比容量达到761.4 mAh?g-1,100次循环后可逆容量仍保持在635 mAh?g-1,保持率为83.4%.即使在5C倍率下容量仍高达460 mAh?g-1.由此说明,WO3/RGO纳米复合物具有优异的循环稳定性及倍率性能,可望用于高性能锂离子电池.     

通过Scholl反应合成螺烯类纳米碳分子的研究进展

近年来,通过有机合成方式构建的结构精确的纳米碳材料备受关注,展现出独特的性质和广阔的应用前景.将具有螺旋手性的螺烯与大尺寸的分子基纳米碳结合,产生了一类独特的手性纳米碳分子,在手性光学、手性光电子学及自旋电子学等领域具有潜在的应用价值.然而,由于其特殊的螺旋结构及分子内较大的张力,这类纳米碳分子的合成颇具挑战.在合成螺烯类纳米碳分子的几类常用方法中,Scholl反应条件温和且十分高效,被广泛使用.从合成的角度出发,详细综述了通过Scholl反应构建螺烯类纳米碳分子的研究进展,并对该领域未来的发展提出展望.     

碳纳米点@聚丙烯酸钠复合材料的制备及在发光二极管中的应用

将绿光碳纳米点(g-CDs)水溶液与聚丙烯酸钠(PAAS)复合, 制备了具有高荧光量子效率的(g-CDs@PAAS)复合材料. PAAS因具有大量羧基基团而具有强吸水性, 能与g-CDs表面大量的羧基、 羟基及氨基基团产生氢键作用, 使g-CDs在复合材料中维持单分散状态, 有效地克服了g-CDs在固态下因聚集而引发的荧光猝灭问题. 这种复合方法操作简单, 制备过程中原材料无损失, g-CDs负载量高达30%的发光复合材料的荧光量子效率为52%. 此外, g-CDs@PAAS复合材料具有良好的热稳定性、 光稳定性和耐有机溶剂等特点, 可作为颜色转换层应用于白光发光二极管.     

聚吡咯-分级多孔碳纳米复合材料的制备及其电化学性能

以空心介孔硅球为模板,酚醛树脂乙醇溶液为碳源制得了分级多孔碳(HPCs).以酸化处理后的HPCs为载体、对甲苯磺酸(p-TSA)为掺杂剂、三氯化铁(FeCl3)为氧化剂,通过原位化学氧化聚合法制备了聚吡咯-分级多孔碳(PPy-HPCs)纳米复合材料.采用场发射扫描电镜(FESEM)、透射电镜(TEM)、傅里叶红外光谱仪(FT IR)、恒流充放电、循环伏安以及交流阻抗等测试技术对复合材料进行了形貌结构和电化学性能的研究.结果表明:聚吡咯成功地包覆在HPCs的表面,随着聚吡咯含量的增加,复合材料的比容量呈现先增大后减小的趋势.当聚吡咯的质量含量为34.9％时,复合材料在电流密度为0.1 A/g时达到最大比容量(316 F/g),在1 A/g的电流密度下循环1 000次后,比容量保持率为95.8％,聚吡咯的引入有效地提高了HPCs电极材料的电化学性能.     

基于纳米碳填料可拉伸导电聚合物复合材料的制备

碳系材料具有导电性强、稳定性好、价格低廉等优点,被广泛用于制备可拉伸导电复合材料,并且在可拉伸、可穿戴电子设备等领域有巨大的应用潜力,引起了研究者的密切关注。本文介绍了碳系材料的种类,主要有炭黑、碳纳米管和石墨烯等;总结了3种纳米复合材料的主要制备工艺:原位聚合法、熔融共混法和溶液混合法,并介绍了传统印刷技术和新型打印技术。分析了复合材料的导电机理,介绍了渗流阈值理论;并重点探讨了其在可拉伸传感器和可拉伸能量储存设备领域的应用。针对基于纳米碳填料制备的可拉伸导电聚合物复合材料指出目前研究的不足之处:导电填料分散性差、导电网络不稳定和无法大规模生产等,并提出了多种解决方案。对基于纳米碳填料制备的可拉伸导电聚合物复合材料在微型化、可拉伸、可穿戴电子设备领域的应用前景作出了展望。     

聚苯胺/碳纳米纤维复合材料的制备及电容性能

采用原位聚合法制备了聚苯胺/碳纳米纤维(PANI/CNF)复合材料,用傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、热重分析(TGA)、扫描电镜(SEM)和孔分布及比表面积测定仪研究了复合材料的表面官能团、组成、表面形貌及比表面积,并运用循环伏安(CV)法和计时电位法测试了PANI/CNF布作为电极材料的电化学性能.研究结果表明:PANI/CNF复合材料具有粗糙的毛刺结构,PANI沿碳纳米纤维均匀分布;PANI/CNF电极氧化还原反应的可逆性良好;在100mA·g-1电流密度下,当PANI含量为44.4%(w)时,复合材料比电容量高达587.1F·g-1,比能量为66.1Wh·kg-1,电流密度为800mA·g-1时比功率可达1014.2W·kg-1;在5A·g-1的电流密度下,1000次循环充放电后,复合材料的比电容量衰减28%.PANI/CNF复合材料具有良好的导电性和快速充放电能力,是一种优良的超级电容器电极材料.     

碳纳米管网/聚苯胺复合材料的制备及电化学储能性能

分别采用粉末碳纳米管(CNT)和带连接点的碳纳米管网(CNTN)为模板,通过与聚苯胺(PANI)有限域聚合得到了CNT/PANI和CNTN/PANI 2种复合材料.采用透射电子显微镜和扫描电子显微镜对材料的形貌进行了表征,采用氮气吸附-脱附分析研究了材料的孔结构参数,运用双电四探针测试仪对材料的导电性能进行了测试,利用恒流充放电、循环伏安、循环寿命及交流阻抗等电化学测试手段表征了材料的电化学储能性能.结果表明,CNTN/PANI复合材料比CNT/PANI复合材料表现出更好的导电性能和电化学储能性能,其放电比容量可达到143.2 F/g(有机电解液).     

中空Fe203/G-NS纳米复合材料的制备和储锂性能

以三氯化铁和氧化石墨烯(Graphite oxide,GO)为原料,采用水热法一步合成了中空Fe2O3/石墨烯(Graphene nanoslheet,GNS)纳米复合材料.研究结果表明,Fe2O3/GNS纳米复合材料的形成是由于Fe3+催化氧化GO中的羧基等官能团释放出CO2,并以原位形成的CO2气泡为模板形成了中空...     

基于水凝胶衍生的硅/碳纳米管/石墨烯纳米复合材料及储锂性能

通过氧化石墨烯(GO)和壳聚糖(Cs)之间的氢键以及静电作用形成GO水凝胶,从而将纳米硅颗粒和碳纳米管(CNT)原位包封于其中,再经冷冻干燥及随后的热处理制得三维硅/碳纳米管/石墨烯(Si-CNT@G)纳米复合材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)、热重分析(TGA)等技术对制得样品的物相、结构和微观形貌等进行了表征。结果表明,所得复合材料在CNT纵横交织的石墨烯网络中,均匀地分布着纳米硅颗粒。当作为锂离子电池的负极材料时,在两种碳介质的协同作用下,有效缓冲硅材料在充放电过程中脱/嵌锂引起的体积变化,缩短了锂离子和电子传输的距离,Si-CNT@G复合材料表现出较好的循环稳定性以及倍率性能。在500 m A·g~(-1)的充放电电流密度下,经过200圈循环后,其放电比容量仍高达673.7 m Ah·g~(-1),容量保持率高达97%;即使将充放电电流密度升至2000 m A·g~(-1)时,该复合材料仍保持有566.9 m Ah·g~(-1)的高可逆放电比容量。独特的制备方法和优越的储锂性能,使得Si-CNT@G纳米复合材料成为理想的高性能锂离子电池负极材料的候选.     

SnO_2/中空洋葱状碳纳米复合材料的制备及电化学性能

以炭黑为原料,硝酸铁为催化剂前驱体,氮气气氛下1000℃高温炭化制备了直径为40nm的中空洋葱状碳纳米颗粒(OC).用SnCl2/乙醇溶液浸渍,空气中350℃氧化得到SnO2/OC复合材料.进一步对该复合材料进行酸处理制备OC包覆的SnO2电极材料.采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和热失重分析(TGA)对OC和SnO2/OC复合材料进行表征;利用恒电流充放电和循环伏安(CV)方法对复合材料作为锂离子电池负极材料的电化学性能进行表征.结果表明:酸处理后的复合材料的循环性能得到明显改善,50次循环后可逆容量保持为446mAh·g-1,OC起到了缓冲SnO2膨胀和阻止团聚的作用.     

氮掺杂碳层包覆金属钴颗粒与氮掺杂石墨烯纳米复合材料作为高容量锂离子电池负极材料

合成了一种石墨烯基纳米复合材料即：由氮掺杂碳层包覆的金属钴纳米颗粒,充分分散于氮掺杂的石墨烯表面。这种纳米复合材料进一步提高了石墨烯的导电性,增加了石墨烯的储锂容量。该材料被用作锂离子电池负极材料,在性能测试中展现了良好的循环性能,在以100 mA·g^-1的电流密度循环200圈后,放电容量高达950.1 mAh·g^-1,库伦效率约为98%。     

氮掺杂碳层包覆金属钴颗粒与氮掺杂石墨烯纳米复合材料作为高容量锂离子电池负极材料

合成了一种石墨烯基纳米复合材料即：由氮掺杂碳层包覆的金属钴纳米颗粒,充分分散于氮掺杂的石墨烯表面。这种纳米复合材料进一步提高了石墨烯的导电性,增加了石墨烯的储锂容量。该材料被用作锂离子电池负极材料,在性能测试中展现了良好的循环性能,在以100 mA·g^-1的电流密度循环200圈后,放电容量高达950.1 mAh·g^-1,库伦效率约为98%。     

新型CdS/TiO2纳米复合材料的制备及其可见光催化性能研究

采用浸渍法和水热法相结合制备了新型的CdS/TiO₂纳米复合材料,并采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、UV-Vis吸收光谱(UV-VIS)、电子自旋共振谱(ESR)等对样品进行了表征,XRD、TEM表明所制备的新型CdS/TiO₂粒径小、分散均匀,TiO₂以锐钛矿型存在,CdS以高分散的立方相和六方相存在,对比直接法制备的CdS/TiO₂,新型的CdS/TiO₂对活性艳红X-3B具有明显提高的可见光催化活性;大量的束缚单电子氧空位及电子之间强相互作用是新型CdS/TiO₂可见光催化活性提高的主要原因.     

碳纳米纤维负载Co_3S_4复合材料的合成及其在染料敏化太阳电池对电极的应用

采用水热法合成四硫化三钴(Co_3S_4)催化材料,并利用球磨和喷涂技术将其制备成对电极,结合新型无碘电解液Co~(2+)/Co~(3+)用于染料敏化太阳电池(dye-sensitized solar cells,简称DSCs)来研究其光电性能。测试结果显示,基于Co_3S_4对电极,DSCs的能量转化效率(power conversion efficiency,简称PCE)只有6.06%,远远低于Pt对电极(8.05%)。为了提高Co_3S_4的催化能力,采用静电纺丝技术制备碳纳米纤维(electrospun carbon nanofibers,简称ECs),结合水热法制备出不同负载量的碳纳米纤维负载四硫化三钴(Co_3S_4/ECs)复合催化材料用于对电极,结果表明,Co_3S_4/ECs的PCE最高可达(8.22±0.08)%,优于Pt对电极。