納米碳材料的案例
《先進(jìn)材料》國(guó)家納米科學(xué)中心專題綜述：抗菌碳納米材料的新進(jìn)展
近日，國(guó)家納米科學(xué)中心的宮建茹課題組在國(guó)際知名期刊Advanced Materials上發(fā)表了抗菌碳納米材料的專題綜述“Antibacterial Carbon-Based Nanomaterials”（Adv. Mater. 2018, 1804838），系統(tǒng)地介紹了該研究方向近年來(lái)的重要進(jìn)展。
目前，由于細(xì)菌耐藥性的廣泛出現(xiàn)和迅速傳播，現(xiàn)有的可對(duì)抗耐藥性細(xì)菌的抗生素種類極其有限，新型抗生素的開(kāi)發(fā)進(jìn)度緩慢，細(xì)菌感染再次被列為影響全球人類健康的重要因素之一。與傳統(tǒng)的抗生素不同，納米材料具有較強(qiáng)的跨膜能力、抑制外排泵的功能和不易誘發(fā)細(xì)菌耐藥性的特點(diǎn)，有望成為一種新型抗生素替代品。其中，碳納米材料具有高效的抗菌活性、良好的生物相容性和環(huán)境友好等特征，展現(xiàn)出巨大的抗菌應(yīng)用潛力。據(jù)此，該綜述系統(tǒng)介紹了碳納米材料的重要理化性質(zhì)，主要抗菌機(jī)制，其理化因素與抗菌機(jī)理的密切關(guān)聯(lián)，以及發(fā)展抗菌碳納米材料的挑戰(zhàn)和前景。
碳納米材料的主要理化性質(zhì)及其抗菌機(jī)制
碳納米材料能夠通過(guò)多種機(jī)制實(shí)現(xiàn)抗菌或殺菌作用，其中包括：細(xì)菌細(xì)胞壁/細(xì)胞膜的機(jī)械性損傷、細(xì)菌的氧化應(yīng)激（活性氧依賴和活性氧不依賴兩種）、光熱和光催化效應(yīng)（如利用具有良好光催化性能的氮化碳納米材料，Nano Lett. 2018, 18, 5954）、脂質(zhì)抽提、細(xì)菌代謝抑制、包裹隔離及其協(xié)同作用。此外，這些作用機(jī)制和碳納米材料的理化性質(zhì)密切相關(guān)，如碳納米材料的維度決定了與細(xì)菌的作用方式，進(jìn)而可能影響其主要的抗菌作用機(jī)制。文章討論了零維的富勒烯、納米金剛石、碳點(diǎn)和石墨烯量子點(diǎn)，一維的單壁碳管和多壁碳管，二維的碳化氮、石墨烯及其衍生物的抗菌活性和抗菌機(jī)制。除維度外，碳納米材料的尺寸、形狀、片層數(shù)及表面功能化等方面的理化性質(zhì)也與其抗菌活性息息相關(guān)。例如，石墨烯量子點(diǎn)經(jīng)不同手性氨基酸功能化后表現(xiàn)出明顯不同的抗菌活性。
展開(kāi) 不只有石墨烯碳納米管 梳理新型碳納米材料及其輔助機(jī)理研究方法
富勒烯（Fullerene）、 碳納米管（CNT，Carbon Nanotube）、石墨烯（Graphene）都是近年來(lái)的熱門碳納米材料，目前共有5位科學(xué)家在這個(gè)領(lǐng)域贏得了諾貝爾獎(jiǎng)。為什么碳納米材料廣泛的受到追捧呢？舉例來(lái)說(shuō)，加入碳纖維的鋼材制成的自行車，重量?jī)H僅是普通自行車的幾分之一，因?yàn)?em>碳原子質(zhì)量非常小，同時(shí)碳原子之間，或者碳原子和其他原子之間形成的化學(xué)鍵，又非常強(qiáng)韌。所以混合了碳納米的材料，通常都會(huì)兼具較好的力學(xué)性質(zhì)與較輕的整體重量。
第一性原理廣泛應(yīng)于在物理、化學(xué)以及材料科學(xué)中。材料設(shè)計(jì)，材料預(yù)測(cè)，解釋實(shí)驗(yàn)等都離不開(kāi)第一性原理計(jì)算，因?yàn)榈谝恍栽韽难Χㄖ@方程開(kāi)始， 只需要極少的參數(shù)，便可以非常準(zhǔn)確的計(jì)算出材料的大部分材料性能；進(jìn)一步結(jié)合絕熱假設(shè)，也可以用來(lái)模擬分子動(dòng)力學(xué)。在碳納米材料的相關(guān)領(lǐng)域，第一性原理計(jì)算更是得到廣泛應(yīng)用，因?yàn)?em>碳原子的電子關(guān)聯(lián)非常弱，第一原理計(jì)算往往能夠做出非常準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。
本文將會(huì)介紹一些新型的碳納米材料，它們?cè)?em>碳原子的結(jié)合方式和排列方式上和大家熟知的富勒烯， 碳納米管以及石墨烯略有不同。而這些細(xì)微的差異反映到最終的材料屬性上卻可以有很大的不同。碳原子排列的一個(gè)小差異，可以轉(zhuǎn)化成材料性質(zhì)的大不同，這也是碳納米材料吸引著很多材料科學(xué)家、物理學(xué)家和化學(xué)家的地方。
一、雜化與維度
碳原子形成碳納米材料有兩種主要的雜化方式：sp2或者sp3。在sp2雜化模式下，每個(gè)碳原子會(huì)形成三個(gè)平面內(nèi)均勻分布成120度角的三個(gè)分子軌道，以及一個(gè)平面外的p軌道，通稱為pz軌道；最典型的的碳納米材料便是著名的石墨烯。
展開(kāi) 中國(guó)科大提出碳納米材料合成新路線
日前，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞書宏和梁海偉團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種過(guò)渡金屬鹽催化有機(jī)小分子碳化的合成新途徑，實(shí)現(xiàn)了在分子層面可控的宏量合成多孔摻雜碳納米材料。研究成果發(fā)表在7月27日出版的《科學(xué)進(jìn)展》上。
有機(jī)小分子因其存在廣泛、種類多樣、元素豐富，是一種理想的制備碳納米材料的前驅(qū)體。但在高溫下，有機(jī)小分子的高揮發(fā)性使得其作為原料制備碳納米材料必須使用復(fù)雜方法和設(shè)備，如化學(xué)氣相沉積和高壓密閉合成。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究人員提出一種過(guò)渡金屬輔助有機(jī)分子碳化的方法，通過(guò)使用過(guò)渡金屬鹽輔助熱解有機(jī)小分子來(lái)制備碳納米材料。在高溫?zé)峤膺^(guò)程中，過(guò)渡金屬鹽不僅能提高小分子的熱穩(wěn)定，還能催化其聚合優(yōu)先形成相應(yīng)的聚合物中間體，避免有機(jī)小分子在高溫?zé)峤庵袚]發(fā)，最終形成碳納米材料。
他們發(fā)現(xiàn)，至少15種有機(jī)小分子和9種過(guò)渡金屬鹽可以作為碳前驅(qū)物和催化劑來(lái)制備相應(yīng)的碳基納米材料，同時(shí)多種硬模板可以用在該方法中來(lái)提高所得材料的比表面積和多孔性。研究表明，該方法是一種普適、簡(jiǎn)單、高效的碳納米材料合成方法。
該法制備的多孔碳納米材料在選擇性乙苯氧化、硝基苯氫化、析氫反應(yīng)、氧還原反應(yīng)中，均表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。
相關(guān)論文信息：Science Advances 2018, 4, eaat0788
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)
展開(kāi) 金屬所JACS封面：新型納米碳材料負(fù)載金屬催化劑重要進(jìn)展！
日前，中科院金屬所催化材料研究部劉洪陽(yáng)副研究員和博士研究生黃飛等人組成的納米碳材料負(fù)載金屬催化劑研究小組與北京大學(xué)馬丁教授合作，通過(guò)調(diào)控金屬鈀（Pd）原子與碳載體之間的相互作用，在納米金剛石/石墨烯碳載體上制備出原子級(jí)分散的單位點(diǎn)Pd催化劑，進(jìn)一步的研發(fā)發(fā)現(xiàn)該催化劑在催化乙炔高效選擇性加氫應(yīng)用中作用顯著。《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》(Journal of the American Chemical Society, IF=14.7) 在線發(fā)表了該項(xiàng)研究成果（DOI：10.1021/jacs.8b07476），該工作并選為封面文章。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.8b07476
乙炔選擇性氫化是工業(yè)生產(chǎn)高分子聚合物過(guò)程中的重要反應(yīng)之一。如何選擇性將乙炔加氫到乙烯，而避免乙烯進(jìn)一步氫化到乙烷，是這一反應(yīng)需要解決的主要問(wèn)題。負(fù)載型Pd催化劑具有很高的乙炔加氫反應(yīng)活性，但乙烯選擇性很低。目前工業(yè)上廣泛使用的加氫催化劑是經(jīng)過(guò)適當(dāng)修飾的Pd基催化劑，但仍然存在Pd的原子利用率較低等問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)兼具高活性，高穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的加氫催化劑具有重要意義。
劉洪陽(yáng)副研究員帶領(lǐng)的研究小組致力于新型納米碳材料負(fù)載金屬催化劑的研究。經(jīng)過(guò)多年的學(xué)術(shù)積累，首次利用納米金剛石/石墨烯復(fù)合核殼材料（ND@G）為載體，制備出一種原子級(jí)分散高選擇性乙炔加氫Pd基催化劑（圖1）。
展開(kāi) 
馬里蘭大學(xué)王育煌SMALL：無(wú)損溶解超長(zhǎng)金屬性碳納米管，助力高性能柔性電子材料
3.2微米長(zhǎng)碳納米管在0% （e），50%（f），100%（g）以及回到0%（h）應(yīng)力后的SEM圖像
圖5 長(zhǎng)短兩種碳管可用于不同應(yīng)用
(a)柔性可穿戴設(shè)備示意圖
(b)隨著手指彎曲-伸展運(yùn)動(dòng)，長(zhǎng)碳納米管和短碳納米管薄膜的電流變化
長(zhǎng)碳納米管薄膜導(dǎo)電性不受手指運(yùn)動(dòng)的影響，因此可以提供穩(wěn)定電流輸出(c,e)；短碳納米管薄膜則表現(xiàn)出明顯電流表化，因此可以應(yīng)用于應(yīng)力傳感器(d,f)。
【小結(jié)】
此研究制備的超長(zhǎng)金屬性碳納米管水溶液，可應(yīng)用于柔性透明電子材料中。由于碳納米管長(zhǎng)度的增加，其所制備薄膜的宏觀導(dǎo)電性以及可拉伸穩(wěn)定性均有顯著提高，從而可以提升柔性電子材料性能與壽命。本工作不僅為展示了一種溶解超長(zhǎng)碳納米管的方法，改變了依賴于超聲溶解納米碳材料的歷史，同時(shí)為今后的柔性電子設(shè)備的材料選擇提供了清晰的思路。
論文連接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/smll.201802625。
展開(kāi) 【杜巴在線專家講座】中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)由木材制備超細(xì)碳納米纖維氣凝膠
碳納米纖維材料因具有高的比表面、優(yōu)異的機(jī)械性能及高電導(dǎo)率等優(yōu)異的物理性質(zhì)而受到廣泛關(guān)注，在能源、催化、環(huán)境、聚合物等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前針對(duì)特定應(yīng)用的功能化碳納米纖維材料的理性設(shè)計(jì)合成及性能優(yōu)化，仍然是制約其實(shí)際應(yīng)用的瓶頸。特別是，廉價(jià)、宏量、可持續(xù)制備碳納米纖維氣凝膠尚未實(shí)現(xiàn)。
近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏研究團(tuán)隊(duì)提出了一種催化熱解的方法來(lái)改變木質(zhì)納米纖維素的熱解過(guò)程，首次以廉價(jià)的木材為原材料制備了高質(zhì)量的超細(xì)碳納米纖維氣凝膠材料，該成果以“Wood-Derived Ultrathin Carbon Nanofiber Aerogels”為題，發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》雜志上（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 7085-7090）。論文的第一作者是博士生李思成。
基于木質(zhì)納米纖維素制備超細(xì)碳納米纖維氣凝膠材料
纖維素材料廣泛存在于自然界的植物中，由于其廣泛的來(lái)源、低成本以及對(duì)環(huán)境的友好，木質(zhì)纖維素材料是一種理想的制備碳納米纖維氣凝膠的前驅(qū)物。但是，因?yàn)槟举|(zhì)纖維素納米纖維極小的尺寸使其在熱解制備碳纖維過(guò)程中劇烈收縮而無(wú)法保持纖維的形態(tài)，迄今為止尚沒(méi)有使用木材為原材料成功制備碳納米纖維氣凝膠的先例。為此，研究人員提出了一種催化熱解的方法，通過(guò)使用對(duì)甲苯磺酸催化木質(zhì)納米纖維素在熱解前期迅速脫水，并改變其熱解過(guò)程和中間產(chǎn)物，使得納米纖維素在熱解后具有高的碳產(chǎn)率的同時(shí)，還能夠保持很好的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。該催化熱解轉(zhuǎn)化方法可將廉價(jià)豐富的自然界中的前驅(qū)物材料轉(zhuǎn)化為高附加值的碳納米纖維材料，對(duì)于發(fā)展可再生材料的綠色化學(xué)合成具有指導(dǎo)意義。
由該方法制備的超細(xì)碳納米纖維平均直徑僅為6 nm, 具有很高的電導(dǎo)率（710.9 S m-1）和比表面積 (553~689 m2 g-1)。
展開(kāi) 碳納米管：依托鋰電池行業(yè)邁向千億級(jí)市場(chǎng)的新材料
新材料碳納米管的產(chǎn)業(yè)化一方面要面對(duì)生產(chǎn)規(guī)模和價(jià)格之間的矛盾，只有足夠的生產(chǎn)規(guī)模才能降低單位產(chǎn)品的生產(chǎn)價(jià)格；另外一方面，要面對(duì)很多低成本、大噸位傳統(tǒng)材料的性價(jià)比競(jìng)爭(zhēng)。好比讓一個(gè)才學(xué)會(huì)走路的嬰兒，馬上就和一個(gè)成年人競(jìng)爭(zhēng)，是艱難的過(guò)程。早期介入碳納米管材料的創(chuàng)業(yè)公司，收入微薄、甚至多年虧損，又要持續(xù)研發(fā)和投入，陷入了十多年的苦熬過(guò)程。
有一段歷史時(shí)期，由于石墨烯研究熱潮的興起。從事碳納米管的研發(fā)和生產(chǎn)，既辛苦又不賺錢，研究發(fā)論文都不好發(fā)，相比石墨烯似乎都顯得落伍，跟不上時(shí)代潮流，更沒(méi)有投資人關(guān)注了。2010年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。“石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米碳材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”。”，這樣的報(bào)道隨處可見(jiàn)，持續(xù)了很多年。在碳材料行業(yè)，只有從事石墨烯才能顯得高大上，吸引投資人的關(guān)注。
石墨烯的熱潮在國(guó)內(nèi)如火如荼的燒了十多年，耗費(fèi)了大量社會(huì)資源。不過(guò)，目前市場(chǎng)上依然還沒(méi)有多少石墨烯的大噸位工業(yè)應(yīng)用，投入巨資搭好的石墨烯工業(yè)園平臺(tái)利用率不高。
與石墨烯行業(yè)，大部分公司虧損的狀況不同。依托碳納米管在鋰電池里作為導(dǎo)電劑的優(yōu)異性能，和鋰電池行業(yè)龐大的市場(chǎng)規(guī)模，大的碳納米管公司能實(shí)現(xiàn)年盈利數(shù)億，小的碳納米管公司能實(shí)現(xiàn)盈利數(shù)百萬(wàn)。國(guó)內(nèi)的碳納米管行業(yè)經(jīng)過(guò)多年的市場(chǎng)拼搏，基本沒(méi)什么政府扶持，但都是盈利的。
歷經(jīng)新材料行業(yè)這么多年的，富勒烯、碳納米管、石墨烯等依次燒過(guò)的時(shí)代熱點(diǎn)大潮，大浪淘沙，碳納米管行業(yè)終于初步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。按照產(chǎn)業(yè)生命發(fā)展周期理論(Industry Life Cycle)，產(chǎn)業(yè)的生命發(fā)展周期主要包括四個(gè)發(fā)展階段：探索期，成長(zhǎng)期，成熟期，衰退期。
展開(kāi) Sci.綜述: 富勒烯-二維納米材料復(fù)合材料及其在催化、器件中的應(yīng)用
【引言】
富勒烯是納米碳材料家族中的一員，其具有0D結(jié)構(gòu)，僅由sp2雜化的碳原子組成，是構(gòu)建超分子組裝體和微/納米功能材料的重要模塊。而石墨烯作為納米碳材料中的一員，具有2D層狀結(jié)構(gòu)、超大的比表面積以及較高的載流子遷移率。同樣，其他新型的類石墨烯2D納米材料，如石墨相氮化碳(g-C3N4)、過(guò)渡金屬二硫化物(TMDs)、六方氮化硼(h-BN)和黑磷(BP)，也顯示出獨(dú)特的電子、物理、化學(xué)性質(zhì)，然而各向異性的性質(zhì)限制了其應(yīng)用。在與富勒烯進(jìn)行非共價(jià)或共價(jià)復(fù)合時(shí)，2D納米材料的物理/化學(xué)性質(zhì)可以調(diào)控，并且在大多數(shù)情況下能夠顯著提升性能、擴(kuò)展應(yīng)用。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊上峰教授(通訊作者)等詳細(xì)介紹了所有類型的富勒烯和2D納米材料(如石墨烯、g-C3N4、TMDs、h-BN和BP)的復(fù)合材料，包括其制備、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和應(yīng)用，并展望了富勒烯-2D納米材料復(fù)合材料的發(fā)展前景，在Adv. Sci.上發(fā)表了題為“Hybrids of Fullerenes and 2D Nanomaterials”的綜述論文。作者重點(diǎn)闡述了具有獨(dú)特電子、化學(xué)性質(zhì)的富勒烯對(duì)2D納米材料的電子、能帶結(jié)構(gòu)影響。2D納米材料與富勒烯分子(非)共價(jià)連接后，其物理/化學(xué)性質(zhì)可以進(jìn)行調(diào)控，在大多數(shù)情況下性能可以得到提升，作者對(duì)性能提升的機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)討論。此外，由于強(qiáng)烈的分子間相互作用，與富勒烯復(fù)合可以誘導(dǎo)2D納米材料新的性質(zhì)，從而擴(kuò)展2D納米材料的功能和應(yīng)用。
展開(kāi) 一種用于熱管理的多功能纖維素/碳復(fù)合氣凝膠材料
來(lái)源 | Materials Today Communications
01
背景介紹
氣凝膠具有密度小、孔隙率高、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點(diǎn)，是一種理想的保溫材料。環(huán)境與資源的矛盾也要求利用可再生資源開(kāi)發(fā)氣凝膠。纖維素基氣凝膠除了具有傳統(tǒng)氣凝膠的優(yōu)點(diǎn)外，還具有生物相容性、環(huán)境友好性和可生物降解性，是最豐富的天然可再生資源，是一種受歡迎的可持續(xù)保溫材料。盡管許多研究取得了令人滿意的結(jié)果，但提高纖維素基氣凝膠的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和多功能性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。對(duì)不同制備方法的纖維素氣凝膠進(jìn)行了一些研究報(bào)道，但在上述研究中，纖維素氣凝膠的功能僅限于保溫，而纖維素固有的低導(dǎo)電性限制了其作為多功能氣凝膠的應(yīng)用。作為另一種重要的氣凝膠材料，碳基氣凝膠可以抑制骨架和孔隙中固體和氣體的熱傳導(dǎo)，減少輻射傳熱，使其具有超低密度、高熱穩(wěn)定性和良好的導(dǎo)電性。但熱管理性能，包括焦耳加熱和光熱性能，在這些工作中很少討論。
02
成果掠影
近期，大連理工大學(xué)王海針對(duì)用于熱管理的可再生的氣凝膠多功能材料取得最新進(jìn)展。近期，大連理工大學(xué)王海針對(duì)用于熱管理的可再生的氣凝膠多功能材料取得最新進(jìn)展。該文將羧化纖維素納米纖維(CCNF)與碳納米管(CNT)、氧化石墨烯(GO)或碳纖維(CF)通過(guò)定向冷凍法制備了一系列纖維素和納米碳復(fù)合氣凝膠。雙向冷凍的CCNF/納米碳氣凝膠由于水平和垂直溫度梯度誘導(dǎo)的橋結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出更高的抗壓強(qiáng)度。同時(shí)，雙向冷凍的CCNF/碳氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)也低至0.0308 W/(mK)；煅燒后增大至0.0388 W/(mK)。CCNF基質(zhì)中分散的線性碳材料CF和碳納米管導(dǎo)致了CCNF/納米碳氣凝膠的熱電、焦耳加熱和光熱性能，煅燒也促進(jìn)了這些性能。
展開(kāi) 基于碳納米管和石墨烯的柔性超級(jí)電容器設(shè)計(jì)
碳納米管和石墨烯材料已經(jīng)在催化、電池等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應(yīng)用。得益于大的比表面積，高導(dǎo)電性以及穩(wěn)定的化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，碳納米管和石墨烯在制備柔性超級(jí)電容器方面同樣極具潛力。
【柔性電容器的評(píng)價(jià)方法】
比容量，能量密度和功率密度是評(píng)價(jià)超級(jí)電容器的主要指標(biāo)。三電極體系和兩電極體系被廣泛用于評(píng)價(jià)超級(jí)電容器的性能。但是，兩者具有較大的差異。例如，三電極體系多用于研究活性材料本身的基本電化學(xué)性質(zhì)和電容行為，而兩電極體系則更接近于實(shí)際應(yīng)用時(shí)超級(jí)電容器的構(gòu)造。因此，當(dāng)評(píng)價(jià)超級(jí)電容器整體器件性能時(shí)更適合使用兩電極體系進(jìn)行評(píng)價(jià)。超級(jí)電容器的電化學(xué)性能表征技術(shù)主要通過(guò)循環(huán)伏安法和恒流充放電法測(cè)試。但是，對(duì)于柔韌性能的測(cè)試目前還沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，多通過(guò)在折疊、拉伸、壓縮和扭曲狀態(tài)下對(duì)器件的電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，來(lái)驗(yàn)證柔性電容器是否可以在形變條件下正常工作，依此來(lái)評(píng)價(jià)電容器的柔性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
【基于碳納米管材料的柔性超級(jí)電容器】
單根碳納米管的性質(zhì)受直徑、手性及包角的影響巨大，實(shí)際應(yīng)用中碳納米管多以薄膜、陣列以及交聯(lián)三維結(jié)構(gòu)形式存在。
基于碳納米管薄膜的柔性超級(jí)電容器
在適當(dāng)條件下，碳納米管之間會(huì)互相交織形成具有均勻電學(xué)性質(zhì)的薄膜。化學(xué)氣相沉積、真空抽濾、界面反應(yīng)以及打印等技術(shù)都被用來(lái)合成適用于柔性電容器的碳納米管薄膜。這些薄膜還可以作為進(jìn)一步負(fù)載其他材料的柔性基底。
圖1. 碳納米管薄膜材料
基于碳納米管陣列的柔性超級(jí)電容器
碳納米管薄膜在形成過(guò)程中由于碳納米管的隨機(jī)排列和聚集，電荷在轉(zhuǎn)移過(guò)程中會(huì)隨機(jī)通過(guò)碳管網(wǎng)絡(luò)的邊界，降低了電荷轉(zhuǎn)移效率。定向排列的碳納米管則擁有更高的導(dǎo)電性和電荷傳輸效率。碳納米管陣列可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積、自組裝、水熱等方法合成。
展開(kāi) 一種提升碳納米管/聚二甲基硅氧烷納米復(fù)合材料界面熱傳輸?shù)奈⒔Y(jié)構(gòu)焊接工藝
來(lái)源 | Advanced Functional Materials
01
背景介紹
聚合物基材料由于其優(yōu)異的靈活性，重量輕，優(yōu)良的可加工性和低成本的特點(diǎn)，在大功率微電子器件的熱管理方面引起了廣泛的關(guān)注。但是，大多數(shù)聚合物具有相對(duì)較低的導(dǎo)熱系數(shù)，范圍為0.1至0.5 W/mk。提高聚合物導(dǎo)熱性的一種簡(jiǎn)單而有效的方法是將高導(dǎo)熱填料(如金屬、陶瓷、碳基材料)摻入聚合物中。碳納米管，由于其出色的導(dǎo)熱性(≈1000-3000 W/mk)，似乎是一種很有前途的導(dǎo)熱填料。根據(jù)麥克斯韋方程，1 vol%的碳納米管負(fù)載應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致聚合物納米復(fù)合材料的導(dǎo)熱性增加十倍。然而，碳納米管增強(qiáng)納米復(fù)合材料的高界面熱阻極大地限制了碳納米管優(yōu)越導(dǎo)熱性的利用，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)低于理論計(jì)算的預(yù)期。
一般來(lái)說(shuō)，碳納米管增強(qiáng)納米復(fù)合材料的界面熱阻可分為基體與碳納米管界面處的熱阻和碳納米管填料之間的熱阻。聚合物基體和碳納米管填料之間的界面熱阻歸因于它們的聲子譜的巨大不匹配，這是難以消除的。界面焊接是提高聚合物納米復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的一種有效方法。例如，碳化聚酰亞胺(PI)焊接的3D石墨烯骨架的導(dǎo)熱性提高了兩倍。在我們之前的工作中，石墨層焊接的3D碳納米管網(wǎng)絡(luò)由于在結(jié)處有效的聲子和應(yīng)力傳遞而顯示出大大改善的導(dǎo)熱性。通過(guò)界面焊接，還觀察到氮化硼和碳化硅納米線網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)熱性顯著增強(qiáng)。然而，目前仍然缺乏對(duì)于界面聲子傳輸機(jī)理的深入研究。
02
成果掠影
近期，天津大學(xué)封偉教授、香港理工大學(xué)沈曦教授和香港中文大學(xué)（深圳）鄭慶彬教授聯(lián)合采用實(shí)驗(yàn)與分子動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了界面焊接對(duì)CNT增強(qiáng)聚合物納米復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。該文報(bào)道了一種界面焊接策略來(lái)構(gòu)建三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)(GS-w-CNT)。
展開(kāi) 
碳納米管 3D打印納米復(fù)合聚合物油墨
為了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，研究人員通常會(huì)使用碳納米管、石墨烯、金屬納米顆粒和量子點(diǎn)等低維納米材料，使新型3D打印材料能夠適應(yīng)外部刺激，賦予電導(dǎo)、熱導(dǎo)、磁性和電化學(xué)存儲(chǔ)等特性。
密歇根理工大學(xué)的機(jī)械工程研究人員創(chuàng)造了一種方法，制造出一種使用碳納米管 (CNT) 的3D可打印納米復(fù)合聚合物油墨，并具有高拉伸強(qiáng)度且重量很輕。他們希望這種新型墨水可以替代環(huán)氧樹脂，邁向大規(guī)模使用。研究人員所做的不同之處在于使用聚合物納米復(fù)合材料（由環(huán)氧樹脂、碳納米管和納米粘土制成）和不犧牲材料功能性的打印工藝。
△圖1.具有不同CNT濃度的環(huán)氧樹脂、環(huán)氧樹脂-納米粘土和環(huán)氧樹脂-納米粘土-CNT納米復(fù)合油墨的流變特性。
走在市場(chǎng)之前
盡管聚合物納米復(fù)合材料和3D打印產(chǎn)品和服務(wù)的市場(chǎng)價(jià)值都在10億美元（約64.7億人民幣）左右，但納米材料3D打印的市場(chǎng)價(jià)值只有大約4300萬(wàn)美元（約2.78億人民幣）。而研究領(lǐng)域也尚未全面了解在3D打印過(guò)程中對(duì)納米復(fù)合材料特性的控制，例如形態(tài)-特性的關(guān)系。
△圖2.使用納米復(fù)合油墨的3D打印。
技術(shù)瓶頸在于如何理解3D打印過(guò)程的宏觀力學(xué)與納米復(fù)合材料的納米級(jí)力學(xué)和物理學(xué)之間復(fù)雜的相互作用。而這項(xiàng)研究旨在通過(guò)探索3D打印工藝參數(shù)與納米復(fù)合打印油墨中納米材料形態(tài)之間的關(guān)系來(lái)尋找問(wèn)題的關(guān)鍵。
△圖3.3D打印的環(huán)氧樹脂-納米粘土-CNT納米復(fù)合材料的SEM和TEM圖像。
納米墨水的優(yōu)點(diǎn)
研究人員認(rèn)為納米墨水的導(dǎo)電性能使打印的環(huán)氧樹脂具有作為電線的潛力，無(wú)論是在電路板、飛機(jī)的機(jī)翼中還是在引導(dǎo)血管導(dǎo)管的3D打印致動(dòng)器。納米復(fù)合聚合物油墨的另一個(gè)特性是它的強(qiáng)度。
展開(kāi) 馬里蘭大學(xué)胡良兵ACS Nano：外延連接的碳納米管薄膜在水性電池集流器的應(yīng)用
【引言】
碳納米材料具有質(zhì)量輕、導(dǎo)電率高和耐腐蝕的特點(diǎn)，因此它是理想的集流體替代材料。目前存在的主要問(wèn)題是碳納米結(jié)構(gòu)之間連接較弱，導(dǎo)致碳納米材料集合體的導(dǎo)電率和機(jī)械強(qiáng)度的較低（低幾個(gè)數(shù)量級(jí)）。在碳納米管之間建立固有的共價(jià)碳鍵是非常受歡迎的。但是碳-碳鍵的惰性和高鍵能，導(dǎo)致在相鄰碳納米管之間打開(kāi)和重新形成共價(jià)碳鍵都具有很大的挑戰(zhàn)。只有通過(guò)高能輻射（電子，離子束或等離子體）或高壓（高達(dá)55GPa）與剪切變形相結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)有限的碳碳之間的共價(jià)連接。因?yàn)樗璧脑O(shè)備特殊，容易對(duì)原始碳納米管造成物理/輻射損傷，在系統(tǒng)中引入大量的不良缺陷。因此，需要一種更具建設(shè)性和可擴(kuò)展性的方法，形成CNT的大規(guī)模相互連接。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，美國(guó)馬里蘭大學(xué)的胡良兵（通訊作者）等人提出了一種“外延焊接”策略，設(shè)計(jì)形成碳納米管（CNT）集合體為高度結(jié)晶和相互連接的結(jié)構(gòu)。將聚丙烯腈溶液涂覆在CNT上作為“納米膠”以便物理連接CNTs形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行快速高溫退火（>2800 K，約30分鐘）將聚合物涂層石墨化成結(jié)晶層，并使相鄰的CNT形成相互連接的結(jié)構(gòu)。接觸-焊接的CNT（W-CNT）表現(xiàn)出高導(dǎo)電性（?1500 S/cm）和高拉伸強(qiáng)度（?120 MPa），分別比未焊接的CNT高5和20倍。此外，當(dāng)在陰極和陽(yáng)極電位下，進(jìn)行恒電位測(cè)試時(shí)，W-CNT在強(qiáng)酸性/堿性電解質(zhì)中（> 6mol/L），顯示出很好的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性。憑借這些卓越的性能，W-CNT薄膜將會(huì)是高性能集流體的最佳選擇，這一結(jié)果已經(jīng)在“鹽中水”電解質(zhì)的水性電池中得到了證明。相關(guān)成果以“Epitaxial Welding of Carbon Nanotube Networks for Aqueous Battery Current Collectors”為題發(fā)表在ACS Nano上。
展開(kāi) 2016中國(guó)國(guó)際碳材料大會(huì)
2 碳材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定及全球?qū)＠季?2 穩(wěn)定量產(chǎn)高品質(zhì)石墨烯工藝及應(yīng)用推廣探討
2 國(guó)際石墨烯產(chǎn)業(yè)化成功案例分享
2 碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)與中國(guó)制造2025發(fā)展機(jī)遇
2 碳基薄膜技術(shù)進(jìn)展及趨勢(shì)
2 碳納米管、富勒烯研究現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)發(fā)展
2 石墨材料研究現(xiàn)狀及應(yīng)用發(fā)展
2 金剛石材料研究現(xiàn)狀及應(yīng)用發(fā)展
2 碳材料制備及表征設(shè)備創(chuàng)新與發(fā)展
2 特種炭黑研究現(xiàn)狀及應(yīng)用發(fā)展
大會(huì)第一天
晚上
產(chǎn)業(yè)投融資專題論壇
2 碳材料應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展及研發(fā)趨勢(shì)
2 創(chuàng)投經(jīng)驗(yàn)分享
2 碳材料行業(yè)投資的機(jī)遇剖析
2 園區(qū)利好政策分享
2 典型跨國(guó)企業(yè)的布局與資源
2 項(xiàng)目投融資推介
2 新三板政策解析
大會(huì)第二天
分論壇一：碳材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用
2 石墨烯在鋰電、燃料電池領(lǐng)域應(yīng)用
2 石墨烯在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域應(yīng)用
2 石墨烯在超級(jí)電容領(lǐng)域應(yīng)用
2 石墨烯基材料在高效儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用
2 碳質(zhì)材料儲(chǔ)氫的研究進(jìn)展及應(yīng)用
2 碳納米管在鋰電池復(fù)合電極材料領(lǐng)域應(yīng)用
2 碳納米管在超級(jí)電容領(lǐng)域應(yīng)用
2 創(chuàng)新石墨材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用
2 富勒烯創(chuàng)新設(shè)計(jì)及其在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用
分論壇二：碳材料在摩擦領(lǐng)域應(yīng)用
2 類金剛石薄膜在工模具領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展
2 類石墨碳涂層摩擦學(xué)研究及應(yīng)用
2 石墨烯在超潤(rùn)滑材料領(lǐng)域應(yīng)用
2 碳纖維增強(qiáng)陶瓷基材料在摩擦領(lǐng)域應(yīng)用
分論壇三：碳材料在海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用
2 石墨烯在海洋重防腐涂料領(lǐng)域應(yīng)用
2 碳基薄膜在海洋工程裝備領(lǐng)域應(yīng)用
2 碳纖維及其復(fù)合材料在海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用
分論壇四：碳材料在電子信息領(lǐng)域應(yīng)用
2 石墨烯在柔性電子器件領(lǐng)域應(yīng)用
2 石墨烯涂層在電子設(shè)備精密部件應(yīng)用
2 石墨烯導(dǎo)電薄膜在電子信息領(lǐng)域的應(yīng)用
2 石墨烯在超敏傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用
2 類金剛石薄膜在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域應(yīng)用
展開(kāi) 2024年-深圳國(guó)際納米材料及微納制造展會(huì)
參展范圍：
納米新材料：納米碳納米材料（石墨烯、富勒烯、碳納米管），納米金屬及其氧化物材料（納米金、納米銀、納米氧化鋁、納米氧化鐵等），納米粉體材料，納米微球，納米涂層，納米陶瓷，納米復(fù)合材料，納米生物材料，納米光學(xué)材料，氮化鎵襯底材料等。
分析與檢測(cè)：光學(xué)顯微鏡，SPM，AFM，LSI測(cè)試探測(cè)器，超精確度測(cè)量?jī)x器，設(shè)計(jì)工具，模擬，電子顯微鏡(SEM，TEM)，分子設(shè)計(jì)軟件，壓力平臺(tái)，探針，電爐，白光干涉儀，橢偏儀，ZETA電位分析，實(shí)驗(yàn)室粉體制備與檢測(cè)儀器（激光粒度儀，顆粒計(jì)數(shù)器等）。
微納制造：納米研磨設(shè)備(干濕法研磨、臥式砂磨機(jī)、珠式砂磨機(jī)、三棍研磨機(jī)），納米微粒混合物，分散技術(shù)，薄膜制造技術(shù)，蝕刻，離子束激光處理器，電子束處理，填裝充電處理，微電路制造，超精度表面加工技術(shù)，融合接合技術(shù)，下一代光刻技術(shù)，納米壓印技術(shù)，飛秒激光曝光設(shè)備，MEMS、噴墨機(jī)，NEMS，傳感器，納米電子，光電，射流，模型，WCM。
納米防疫展區(qū)：納米生物與醫(yī)藥、生物傳感器，納米生物材料，靶向藥物釋放，熒光標(biāo)記、納米診斷試劑、納米診斷設(shè)備、納米醫(yī)藥，納米抗菌與消毒、RNA、納米探針、人工心臟等。
納米環(huán)保清潔：光觸媒、納米抗菌消毒、HVAC系統(tǒng)、凈化設(shè)備、納米空氣凈化與水處理技術(shù)、空氣凈化器、空氣過(guò)濾器、水處理探測(cè)與處理設(shè)備、新型環(huán)境治理技術(shù)、PM2.5預(yù)防設(shè)備和耗材等。
石墨烯薄膜、氧化石墨烯溶液、石墨烯粉體設(shè)備、石墨烯薄膜生長(zhǎng)CVD設(shè)備等。
展開(kāi) 