天津大學封偉教授團隊：碳基功能納米材料的制備、性能與應用

天津大學封偉教授團隊：碳基功能納米材料的制備、性能與應用

自富勒烯、碳納米管和石墨烯被發現和成功制備以來，碳納米材料以其優異的導電性、機械性、化學穩定性和光學特性受到了大量的關注。隨著納米科技的高速發展，碳納米材料逐漸展現出在強度、硬度、光學、耐熱性、耐輻射、耐化學藥品、導電性、導熱、表面與界面特性等方面比其它材料更加優異的性能。因此，在以碳納米管、石墨烯、碳納米纖維等碳納米材料為主體，高分子、無機金屬納米顆粒為添加劑，通過適當的制備和化學改性方法得到的均勻碳基功能納米復合材料在儲氫、導熱、電化學儲能材料、催化、生物傳感、熒光、晶體管等諸多領域得到了廣泛的應用。



天津大學封偉教授研究團隊長期致力于功能碳基納米復合材料的基礎研究和應用，近日，受國際復合材料領域著名期刊《Composites Science and Technology》邀請，封偉教授團隊在該期刊上發表題目為《碳基功能納米材料：制備、性能與應用》的專題綜述文章，重點總結了研究團隊在功能碳基復合材料領域十余年的研究成果，以碳納米材料的結構、性質以及化學功能化為出發點，對近年來研究團隊在光熱、導熱、電化學儲能以及光響應驅動等領域的一些重要研究進展和成果進行了介紹，并對功能納米碳復合材料的設計思路、制備方法、結構調控、性能優化以及應用前景等進行了重點分析，第一作者為博士生李子豪，通訊作者為天津大學封偉教授。



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圖1幾種常見化學功能化碳納米管和石墨烯



首先，對于石墨烯和碳納米管的一般結構與基礎性質進行概括性介紹，接著，分別對現階段比較成熟的幾種碳納米管和石墨烯的化學功能改性進行總結闡述，如圖1所示，碳納米管的化學改性主要集中在對其管壁的優化和修飾上，包括利用臭氧、氫等離子體、氟氣等，而對石墨烯的化學功能化主要以氧化石墨烯的制備為例，通過對石墨進行插層和氧化，得到表面具有豐富含氧官能團（羧基、羥基、酯基等）的石墨烯，由于該方法大幅度改善的水溶性，利于溶液加工，因此常用作對石墨烯基納米復合材料的修飾、優化與設計中。



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圖2偶氮苯/石墨烯復合材料在光熱轉換與存儲方面的應用



其次，根據碳基納米材料的功能，分章節逐一介紹納米碳基復合材料在光熱、光驅動、高導熱、鋰電池和超級電容器等器件的制備工藝、性能表征以及應用。



太陽光作為一種綠色、可持續的清潔能源一直是科學家研究的重點，開發對太陽能進行俘獲、轉換、儲存的創新技術顯得尤為重要。封偉教授研究團隊是國際上最早從事光熱能量的存儲與轉換研究的科研團隊之一，在封偉教授的帶領下，研究團隊經過多年的探索，發現了以碳納米管和石墨烯為基底，接枝復合偶氮苯類分子具有獨特的光致異構現象，即通過光開關分子的可逆結構轉換和空間重排來儲存來自太陽光的能量，然后以熱的形式釋放能量，從而實現光熱存儲與可控釋放。經過研究團隊的不懈努力，探索出一系列的偶氮苯/碳基納米材料（圖2），以實現將太陽能這一“取之不盡，用之不竭”清潔能源進行高效循環利用。這一系列重大研究發現有望可以緩解日漸嚴重的能源問題。



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圖3納米碳基復合材料在高導熱方面的應用



隨著大規模集成技術的進步，電子器件朝向小型化、微型化的發展已經越來越迅速，而其中高效工作帶來的熱量積累問題一直阻礙著這一領域的前進。導熱復合材料作為有效解決這一核心問題的關鍵環節，直接影響著傳熱的效率。封偉教授研究團隊以高導熱納米碳材料為基體，針對碳基導熱復合材料的制備及力熱性能優化進行了大量的研究工作（圖3），包括以石墨連接三維碳納米管網絡的高導熱碳/碳復合材料、連續石墨烯聚二甲基硅氧烷網絡的碳/聚合物復合材料、以垂直碳納米管陣列橋接的定向高導熱各向同性的導熱復合材料、石墨烯交聯碳納米管三維雜化網絡具有可控導熱、導電和回彈性的聚酰亞胺導熱復合材料等都取得了重大突破。



氟化碳是目前世界上理論能量密度最高的原電池正極材料，在電子器件、生物醫學和裝備電源等領域有廣闊應用前景。封偉教授團隊長期致力于氟化碳材料的研究，及其在高容量儲能材料領域的應用開發。研究團隊經過不斷的試驗，對材料制備、氟化機理、結構調控、電化學動力學等科學問題進行了深入細致的研究（圖4），探索出具有獨特結構的新型氟化碳材料，顛覆了傳統的碳氟共價鍵，成功制備的新型氟化碳材料不僅可以兼顧電池高能量密度和高功率密度，同時在超大放電電流條件下可以穩定工作。



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圖4.氟化碳納米材料在鋰電池方面的應用



最后，對于功能碳納米材料在各領域的優缺點和未來的發展前景進行了小結，相信隨著納米材料先進制備和表征技術的高速發展，具有廣闊應用前景的碳基納米復合材料有望可以實現高性能器件的工業化大規模生產。

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