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蘇州納米所利用層狀化結構工程策略構筑高導電碳納米管氣凝膠薄膜

2022-05-24 蘇州納米技術與納米仿生研究所
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語音播報

  氣凝膠是一種具有三維多孔結構的超輕固體納米材料。近年來,以高分子納米纖維、碳納米纖維、石墨烯、碳納米管及MXene等為納米構筑單元的氣凝膠層出不窮,多種多樣的納米構筑單元結合微觀結構設計進一步寬了氣凝膠的應用領域。氣凝膠薄膜具有氣凝膠的多孔特性、薄膜的維度特性,在電池、超級電容器等領域頗具應用價值。目前,研究多聚焦在氣凝膠薄膜的構筑單元選擇上,尚無有效的方法實現氣凝膠薄膜納米構筑單元微觀結構的設計。近日,中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張學同團隊提出了納米纖維三維網絡結構層狀化工程策略,實現了碳納米管氣凝膠薄膜的高效導電網絡構筑,制備出了一種具有致密層狀多孔結構的高導電碳納米管氣凝膠薄膜。 

  如圖1所示,芳綸納米纖維/碳納米管(ANF/CNT復合氣凝膠薄膜是由納米纖維構筑的三維網絡結構,納米纖維隨機取向。在定向應力誘導下,納米纖維向垂直于應力方向重新排布,最終所有的納米纖維將在垂直于應力方向堆積,形成致密層狀結構。致密的層狀結構能夠有效增強力學性能和構筑高效導電網絡。而在這一過程中,氣凝膠的多孔結構由于致密堆積而部分消失,同時不導電ANF的致密堆積不利于導電網絡的形成。后續通過熱處理碳化,刻蝕掉不導電的ANF,保留致密堆積的碳納米管,實現高效導電網絡的構筑,在這個過程中,ANF的碳化熱分解會誘導孔隙再生。 

  如圖2所示,研究通過廣角X射線散射(WAXS)探究了ANF/CNT氣凝膠薄膜在應力誘導下的雙軸取向過程。ANF/CNT2D散射圖形呈圓形,表明ANFCNT是隨機取向的。當施加一定的應力后,從SEM圖上可以明顯看到ANFCNT均發生了重構現象,采取取向因子F定量研究了納米纖維雙軸取向過程與定向應力之間的關系(F = 0表示完全隨機;F = 1表示完全取向)。 

  如圖3所示,研究剖析了碳化溫度對氣凝膠薄膜力學、比表面積、孔徑結構、電導率、密度以及親疏水性能的影響。研究通過ANFCNT的雙軸取向重構后,氣凝膠薄膜的力學性能得到顯著增強。隨著碳化溫度的增加,薄膜的電導率逐漸增強。當碳化溫度為750℃時,薄膜的電導率可達8540S m-1;進一步提高碳化溫度后,薄膜的電導率逐漸降低。這是由于ANF在熱分解碳化過程中產生小分子的氣體會誘導薄膜的孔隙再生行為。CNTANF具有疏水性和親水性,隨著ANF的熱分解,氣凝膠薄膜的疏水角逐漸增加,表現出一定的疏水性能。 

  由于致密層結構形成的高效導電網絡和多孔結構的多重內部反射,該碳納米管氣凝膠薄膜在X波段表現出200648dB cmg-1的優異絕對屏蔽效能(SSE/t),超過多數已報道的氣凝膠材料。此外,該氣凝膠具有良好的電加熱性能。當施加電壓為2 V時,氣凝膠薄膜的表面溫度在1 min內可升至40.5 ℃,施加電壓為5 V時,表面溫度可達100.2 ℃,同時該薄膜在彎折情況下表現出良好的電加熱性能。結果表明,所獲得的碳納米管氣凝膠薄膜在輕量化電磁屏蔽材料和電加熱材料領域具有廣闊的應用前景。 

  該研究利用層狀化結構工程策略實現了碳納米管氣凝膠薄膜納米構筑單元的有序排列,在碳納米管氣凝膠中引入層狀致密堆積結構,構筑出高效的導電網絡,為高導電性碳納米管氣凝膠薄膜的制備提供了新思路。此外,該碳納米管氣凝膠薄膜在輕量化電磁屏蔽材料和電加熱等領域顯現出應用前景。相關研究成果以Laminated Structural Engineering Strategy toward Carbon Nanotube-Based Aerogel Films為題,發表在ACS Nano上。研究工作得到國家重點研發計劃、江蘇省自然科學基金、國家自然科學基金、英國皇家學會-牛頓高級學者基金等的支持。 

  論文鏈接 

1.納米纖維氣凝膠薄膜的結構重構過程 

2.應力誘導ANF/CNT氣凝膠薄膜的結構重構過程 

3.碳納米管氣凝膠薄膜的結構與性能 

4.碳納米管氣凝膠薄膜的電磁屏蔽性能 

5.碳納米管氣凝膠薄膜的焦耳熱性能 

打印 責任編輯:侯茜

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