將中國傳統(tǒng)民間藝術(shù)“吹糖人”與先進(jìn)的納米材料制備相結(jié)合，會擦出什么樣的火花呢?哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授周薇薇去年曾受“吹糖人”的啟發(fā)，制出類似于“糖漿”的黏稠狀前驅(qū)體，再將其快速加熱并利用過程中產(chǎn)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(xué)與技術(shù)學(xué)院教授朱永明課題組合作，將該方法進(jìn)一步延伸，“吹”出了由二維碳納米片和一維碳納米管構(gòu)成的三維碳網(wǎng)絡(luò)，首次實現(xiàn)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(huán)保

據(jù)周薇薇介紹，常見的一維碳材料和二維碳材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的構(gòu)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(jìn)行一維碳材料的生長。“我們的新方法通過催化劑顆粒的預(yù)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(jù)周薇薇介紹，該方法實現(xiàn)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(huán)保。此外，該方法合成出來的材料是一個整體結(jié)構(gòu)，避免了材料合成過程中經(jīng)常遇到的相容性問題，整體結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、協(xié)同程度高，而并非兩種單獨材料的機械結(jié)合。

在這個過程中，材料界面相容性、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)建、生產(chǎn)成本和環(huán)保性是團(tuán)隊需要跨越的“三道關(guān)”。“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(wěn)定并且催化劑能在其中均勻分布的體系。”周薇薇說。此外，團(tuán)隊選用的都是常見的、價格低廉的原料，成本低，反應(yīng)簡單無副產(chǎn)物，大大減少了試驗過程中毒害物質(zhì)的排放和后處理過程，實現(xiàn)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(lǐng)域面臨著無數(shù)的挑戰(zhàn)和機遇。作為儲能裝置的鋰離子電池和超級電容器在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)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(fù)雜，產(chǎn)業(yè)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(guān)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(dǎo)致材料性能的急劇降低，而多孔二維材料同時還面臨導(dǎo)電率差的問題。”

據(jù)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(dāng)紙張堆疊在一起，紙張上的字就也被遮住了。因此，團(tuán)隊設(shè)想，要是能設(shè)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(yōu)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(chǔ)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(wěn)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(diào)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(jié)構(gòu)的堆疊，其優(yōu)異的導(dǎo)電性也彌補了多孔二維碳材料導(dǎo)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(shè)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(huán)保、安全快捷的大規(guī)模制備工藝能夠推動儲能器件的應(yīng)用，加速可再生能源的發(fā)展進(jìn)程。”

周薇薇高興地表示，測試證明，這種綠色環(huán)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(lǐng)域表現(xiàn)出性能優(yōu)異，并且得益于材料優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和性能，在水處理和電磁波的吸收和屏蔽領(lǐng)域也有巨大的應(yīng)用價值。

據(jù)周薇薇介紹，接下來團(tuán)隊希望從內(nèi)部優(yōu)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(jìn)一步優(yōu)化實驗工藝條件和參數(shù)，探究在此體系內(nèi)最合適的實驗方案，最大限度地發(fā)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(lǐng)域發(fā)揮價值。”