中國科大實現由木材制備超細碳納米纖維氣凝膠

碳納米纖維材料因具有高的比表面、優異的機械性能及高電導率等優異的物理性質而受到廣泛關註,在能源、催化、環境、聚合物等領域具有廣泛的應用前景。目前針對特定應用的功能化碳納米纖維材料的理性設計合成及性能優化,仍然是制約其實際應用的瓶頸。特別是,廉價、宏量、可持續制備碳納米纖維氣凝膠尚未實現。

近日,中國科學技術大學俞書宏研究團隊提出瞭一種催化熱解的方法來改變木質納米纖維素的熱解過程,首次以廉價的木材為原材料制備瞭高質量的超細碳納米纖維氣凝膠材料,該成果以“Wood-Derived Ultrathin Carbon Nanofiber Aerogels”為題,發表在《德國應用化學》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。

中國科大實現由木材制備超細碳納米纖維氣凝膠

基於木質納米纖維素制備超細碳納米纖維氣凝膠材料

纖維素材料廣泛存在於自然界的植物中,由於其廣泛的來源、低成本以及對環境的友好,木質纖維素材料是一種理想的制備碳納米纖維氣凝膠的前驅物。但是,因為木質纖維素納米纖維極小的尺寸使其在熱解制備碳纖維過程中劇烈收縮而無法保持纖維的形態,迄今為止尚沒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,研究人員提出瞭一種催化熱解的方法,通過使用對甲苯磺酸催化木質納米纖維素在熱解前期迅速脫水,並改變其熱解過程和中間產物,使得納米纖維素在熱解後具有高的碳產率的同時,還能夠保持很好的三維網狀結構。該催化熱解轉化方法可將廉價豐富的自然界中的前驅物材料轉化為高附加值的碳納米纖維材料,對於發展可再生材料的綠色化學合成具有指導意義。

由該方法制備的超細碳納米纖維平均直徑僅為6 nm, 具有很高的電導率(710.9 S m-1)和比表面積 (553~689 m2g-1)。因其獨特的三維網狀結構特點和優異的導電性能以及高的比表面積,該研究團隊研制的由木材制備的碳納米纖維氣凝膠可以直接用於組裝無須粘結劑的超級電容器,並且在純碳超級電容器材料中表現出優異的電容性能,這種新型碳納米纖維氣凝膠還可應用於水體凈化、電催化劑載體和電池電極材料等。論文發表後,被學術媒體ScienceDaily、phys.org、Wiley NewsRoom等以“Wood to supercapacitors”為題作為研究亮點報道。

近年來,該團隊圍繞著碳納米纖維材料合成、功能化及應用持續開展瞭一系列的研究,發展瞭模板指引的水熱碳化法及直接碳化生物質細菌纖維素的方法宏量制備碳納米纖維氣凝膠材料,以此類材料為基礎通過合理的化學修飾功能化方法制備出瞭系列功能納米材料,並探索瞭這些材料在環境、能源、催化及聚合物復合物等領域的應用(Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1450-1461; Acc. Chem. Res. 2016, 49, 96-105)。

最近,該研究團隊應邀為《德國應用化學》撰寫題為“Emerging Carbon Nanofiber Aerogels: Chemosynthesis versus Biosynthesis”的評述論文(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201802663),系統分析和比較瞭該團隊發展的化學轉化法和生物法制備碳納米纖維材料的優缺點,總結瞭這兩種合成路線制備的碳納米纖維材料的理化性質、功能化的方法和應用等方面取得的系列進展,提出瞭今後有關碳納米纖維氣凝膠材料研究的建議和今後值得關註的科學問題。

上述工作受到國傢自然科學基金委創新研究群體、國傢自然科學基金重點基金、國傢重大科學研究計劃、中國科學院前沿科學重點研究項目、中國科學院納米科學卓越創新中心、蘇州納米科技協同創新中心、合肥大科學中心卓越用戶基金的資助。

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