像“吹糖人”一樣“吹”出三維碳網絡 新方法工藝簡單、綠色環保

將中國傳統民間藝術“吹糖人”與先進的納米材料制備相結合，會擦出什么樣的火花呢?哈爾濱工業大學(威海)材料科學與工程學院副教授周薇薇去年曾受“吹糖人”的啟發，制出類似于“糖漿”的黏稠狀前驅體，再將其快速加熱并利用過程中產生的大量氣體“吹”成二維納米片。

近日，周薇薇課題組與該校海洋科學與技術學院教授朱永明課題組合作，將該方法進一步延伸，“吹”出了由二維碳納米片和一維碳納米管構成的三維碳網絡，首次實現了一維和二維碳材料的同步、原位生長。該研究成果刊登在國際著名期刊《納米尺度》上。

新方法工藝簡單、綠色環保

據周薇薇介紹，常見的一維碳材料和二維碳材料復合結構的構建通常需要先合成二維碳材料作為基底，在二維碳材料上引入催化劑后，再進行一維碳材料的生長。“我們的新方法通過催化劑顆粒的預先引入，以及碳源的同步添加，可以在合成二維碳納米片的同時，催化生長一層一維碳納米管，也就是一維和二維碳的同步生長。”據周薇薇介紹，該方法實現了宏觀上制備工藝的簡化，由之前兩步以及多步的合成工藝簡化到一步合成，合成效率大幅提高。同時，該做法能充分地利用每種合成原料，原料利用率高，污染小，綠色環保。此外，該方法合成出來的材料是一個整體結構，避免了材料合成過程中經常遇到的相容性問題，整體結構更穩定、協同程度高，而并非兩種單獨材料的機械結合。

在這個過程中，材料界面相容性、復合材料結構構建、生產成本和環保性是團隊需要跨越的“三道關”。“無論是材料體系的變化和催化劑的引入，都會面臨材料不相容的問題，我們通過輔助模擬計算，最終選擇了能使材料體系穩定并且催化劑能在其中均勻分布的體系。”周薇薇說。此外，團隊選用的都是常見的、價格低廉的原料，成本低，反應簡單無副產物，大大減少了試驗過程中毒害物質的排放和后處理過程，實現綠色合成。

新催化劑將“紙張”變成“毛毯”

近幾年來，可再生能源領域面臨著無數的挑戰和機遇。作為儲能裝置的鋰離子電池和超級電容器在工業領域的應用極為廣泛，然而由于常見的儲能電極材料成本高昂、制備工藝復雜，產業化道路舉步維艱。

對于儲能材料而言，二維材料一直是研究人員關注的焦點。周薇薇告訴科技日報記者：“二維材料由于表面能較大，不可避免地會遇到堆疊的問題，這會大大降低材料的表面積，從而導致材料性能的急劇降低，而多孔二維材料同時還面臨導電率差的問題。”

據她解釋，如果把有豐富活性位點的二維儲能材料看作一張張寫滿字的紙，當紙張堆疊在一起，紙張上的字就也被遮住了。因此，團隊設想，要是能設計一種方法，將“紙張”變成“毛毯”就好了，“這樣既保留了二維材料表面豐富的優勢，又能有效通過中間緩沖層防止材料的堆疊”。

“因此，我們在之前工作的基礎上，開辟了新的實驗體系，探究了幾十種實驗方案，最終找到了能和催化劑穩定相容的體系。催化劑的存在不僅可以催化碳納米管的生長，也有利于調控二維碳材料的尺寸。并且生長出的碳管不僅可以作為緩沖層，防止片層結構的堆疊，其優異的導電性也彌補了多孔二維碳材料導電性差的缺點。”周薇薇說。

儲能之外新材料大有可為

采訪中，研究人員表示：“目前用于儲能設備的高性能電極材料的合成仍面臨著成本和制備條件的制約。我們希望這種綠色環保、安全快捷的大規模制備工藝能夠推動儲能器件的應用，加速可再生能源的發展進程。”

周薇薇高興地表示，測試證明，這種綠色環保、安全快捷的宏量制備方法制備出來的材料不僅在鋰離子電池、鈉離子電池、超級電容器等儲能領域表現出性能優異，并且得益于材料優異的結構和性能，在水處理和電磁波的吸收和屏蔽領域也有巨大的應用價值。

據周薇薇介紹，接下來團隊希望從內部優化和外部延伸兩個方面安排研究計劃：“一方面，我們需要通過進一步優化實驗工藝條件和參數，探究在此體系內最合適的實驗方案，最大限度地發揮材料的性能。另一方面，我們希望合成策略也不止步于此，并通過積極地外界溝通建立合作，延伸體系的覆蓋范圍，讓我們‘吹出來’的材料及合成策略在更多領域發揮價值。”