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东华大学丁彬教授Nature子刊: 多功能、柔性2D碳膜

东华大学丁彬教授Nature子刊: 多功能、柔性2D碳膜

东华大学丁彬教授Nature子刊: 多功能、柔性2D碳膜    

研究背景

由于其优异的机械、电子、光学和热学性质,低维碳纳米材料对环境、能源、电子和医疗保健领域具有重要的技术意义。碳纳米尺度构建的基本单元主要包含:零维(0D)纳米点、一维(1D)纳米管、二维(2D)石墨烯及其衍生物。所有这些单元结构都具有纳米尺度的共同结构特征,它们的出色性质/性能只出现在纳米尺度,而不是宏观尺度。各种技术,如原位生长、模板合成、自组装等,已被提出并用于从基本结构单元构建大块碳纳米材料。不幸的是,当组装成大块材料时,独特的纳米性能往往会消失或大大降低

成果简介

近日,东华大学丁彬教授团队以“Multi-functional flexible 2D carbon nanostructured networks”为题,在Nature Communications上发文,报道了一种基于电喷雾/结网的简易方法,用于大规模制备二维碳纳米结构网络。宏观(米级)碳纳米结构网络显示出出色的纳米结构性能、优异的柔韧性、纳米尺度的导电性,以及在诸多领域的优异性能。这项工作为各种高性能、多功能碳纳米材料的设计提供可能。

研究亮点

(1)报告了一种独特的电喷雾/结网工艺,以制备具有良好互连的纳米纤维,并构建2D碳纳米结构网络;

(2)制备的碳纳米结构网络兼具1D纳米管纳米级直径和2D石墨烯横向无限性的特点;

(3)制备的碳纳米结构网络在诸多应用中表现出优异的性能,如过滤、隔膜、吸附、可穿戴电极、超级电容器和电池。

图文导读

1. 组装过程

2D纳米结构网络是使用我们独特的电喷雾/结网技术自组装而成的(图1a)。网络结构的形成是由于液滴喷射-变形-组装过程,这是基于泰勒锥不稳定性和微分微电场驱动。透射电子显微镜(TEM)观察(图1b)显示,氮掺杂碳网络既具有类似于1D碳纳米管的纳米级直径的特征,又具有类似于2D石墨烯的横向结构。

扫描电子显微镜(SEM)成像显示聚丙烯腈网络由直径为10-40 nm的互连纳米纤维组成,并显示出2D拓扑网络结构(图1c)。除了独特的2D形式,纤维直径比传统的纳米纤维小一个数量级在氧化和煅烧过程之后,2D氮掺杂碳网络结构仍然存在,它们的纤维直径减小到5-25 nm,达到1D碳纳米管的直径水平(图1d)。

图1e显示了具有多级纳米结构的自支撑氮掺杂碳膜(约62μm厚)(图1f)。图1g显示了尺寸为65×25 cm2的氮掺杂碳膜的照片。引人注目的是,氮掺杂碳膜显示出强大的机械强度和优异的柔软性,并且可以折叠和弯曲而没有任何损坏(图1g底部)。可使用氮掺杂碳膜制作一些工业样品(图1h,例如口罩和超级电容器。

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图1 碳纳米结构网络的加工、结构和样品。(a)显示2D碳纳米结构网络合成步骤的示意图;(b)TEM形貌图像;(c)PAN和(d)碳纳米结构的SEM图像;(e)SEM图像;(f)碳纳米结构网络及其内部结构的TEM图像;(g)大规模碳纳米结构网络膜展示及其柔性展示;(h)碳纳米结构网络的照片,及其各种应用的相关示意图。

2. 合成机理和结构特性

为了揭示碳纳米结构网络的自组装路线和控制过程,提出了一个可能的机制模型,如图2a。导致液滴从泰勒锥喷出的力依赖于相互竞争的库仑排斥和静电压力,当液体的电荷密度超过液滴阈值Dc时,由于泰勒锥不稳定,液滴喷出。那么悬浮的液滴簇可能经历了由Voronoi耗散效应驱动的空间自组装。同时,它们在微电场的驱动下发生自变形,产生了具有类Voronoi结构的纳米纤维网络SEM像提供了支持这种可能的形成过程的证据(图2e)。使用电喷雾/结网技术,操纵收集器的表面形貌和导电性(图2b,c)能够产生聚合物网络。随着用作收集器的聚丙烯腈纤维沉积的增加,它们的孔径从3.2减小到0.7μm(图2b),而介电常数从1.25增加到2.6(图2c)。

碳化后,所有碳基纳米结构保持其聚丙烯腈前体的结构特征(图2e)。与沉积在S-1基底上的纳米颗粒(185 m2g-1和65.5%)相比,S-4基底上碳纳米网络的BET比表面积(790 m2 g-1)和孔隙率(99.92%)都显著提高(图2f)。相比之下,大多数现有的电纺纳米纤维通常显示出小于10 m2 g-1的BET表面积和50-90%的孔隙率。膜中2D碳纳米网络显示出230-320 nm的极小孔径(图2g),同时保持<100nm的低厚度。

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图2 碳纳米结构网络的起源、合成和纳米结构性质。(a)电喷雾/结网过程中,液滴喷射及其变形组装过程的示意图;(b)所使用的基底的孔径和相对介电常数;(d)从前驱体溶液中喷射出的液体的电荷密度和液滴阈值,并使用这些基底通过电喷雾/结网收集;(e)SEM图像;(f)膜的比表面积、孔隙率和(g)孔径分布。

3. 物化性质表征

碳纳米结构网络具有良好的机械强度,以及显著的表面润湿性和导电性。单层、自支撑碳纳米结构网络的拉伸强度为1050 MPa,应变约为25%,表明有两种不同的变形方式(图3a)。在0–30%ε的拉伸过程中,SEM观察(图3b顶部)表明碳纳米结构网络有效地转移和耗散了载荷,这种独特的变形包括网络变形和原纤维排列(图3b底部)。

碳纳米结构网络的柔性通过其循环压缩-释放测试进一步得到证实(图3d)。为了深入了解这种显著的柔性,通过原位SEM(图3d底部)研究了碳纳米结构网络在变形过程中的分级结构。由于由无定形碳、有序石墨碳和分散的SnO2纳米簇组成的润滑基底结构,单个碳纳米纤维可以承受大的弯曲变形而不产生任何裂纹(图1g)。

碳纳米纤维网络表现出超亲油性,油接触角小于3° (图3e)。然而,碳纳米纤维网络是超疏水的,水接触角大于152°,并且它们表现出极低的水粘附性,揭示了可穿戴电子器件的自清洁能力。

碳纳米纤维网络也显示出优异的抗疲劳性(图3g和h)。在180°完全折叠角的10000次循环疲劳实验后(图3g),碳纳米纤维网络的电导率和刚度几乎保持不变,保持约900 S·cm-1和8.8 mN的高水平(图3h)。

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图3 碳纳米结构网络的机械性能、表面润湿性和导电性。(a)自支撑碳纳米结构网络的微拉伸应变曲线;(b)在连续拉伸过程中碳纳米结构网络的SEM图像(上)和图解演变(下);(c)碳纳米结构网络和选定软材料的弯曲刚度;(d)碳纳米结构网络柔性的一组实时图像;(e)碳纳米结构网络表面动态油扩散的光学图像;(f)不同形式的典型碳纳米材料的电导率;(g)循环疲劳实验;(h)在10000次循环内的电学和机械性能。

4. 多功能应用

制备的碳纳米结构网络为高效率和低成本阻力空气过滤提供了一种新材料,可用作N100口罩的部件(图4a)。除PM2.5外,碳纳米结构网络口罩在去除最严重的PM0.3方面表现出出色的功效(图4a)。

由于高度多孔的结构和增大的表面积(图2f),产生了大量的孔道,因此可以使用碳纳米结构网络进行水处理(液体分离和染料吸收,图4b和c)。

碳纳米结构网络为能量存储和传输提供了高导电性(图3f),此外,它们的柔性特性也允许它们用于可穿戴电子设备(图3g、h)。直接使用自支撑碳膜作为电极,免除了粘结剂或导电添加剂的使用。作者用其组装了碳基超级电容器(图4d-f),显示出优异的电化学性能。

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图4 空气过滤、液体分离、染料吸附和电化学应用的多功能性。(a)不同碳纳米结构网络的PM0.3和PM2.5过滤效率和空气阻力;(b)循环分液性能;(c)吸收染料溶液前后的照片;(d)制作的超级电容器;(e)Nyquist图;(f)循环性能。

总结与展望

综上,本研究提出了一种创新的自组装策略,通过独特的电喷雾/结网技术,可扩展地合成具有2D网络结构的碳纳米结构网络。这种纯纳米结构的纤维网络显示出纳米尺寸的综合特性,如1D碳纳米管和横向无限长的2D石墨烯。表征结果显示,这些碳纳米结构网络显示出各种显著的性质,如纳米结构、机械柔性、独特的表面润湿性和优异的导电性。正如预期的那样,其在空气过滤、液体分离、染料吸收和电化学应用等方面具有了优异的性能。这项工作为制备这种特殊的碳纳米材料铺平了道路,并为其在环境、能源、电子、催化和组织工程中的应用开辟了许多机会。

文献链接

Multi-functional flexible 2D carbon nanostructured networks (Nature Communications, 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-18977-6)

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18977-6?utm_source=other&utm_medium=other&utm_content=null&utm_campaign=JRCN_2_LW01_CN_natureOA_article_paid_XMOL

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