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洛斯阿拉莫斯国家实验室集成纳米技术中心

碳纳米纤维材料因具有高的比表面、优异的机械性能及高电导率等优异的物理性质而受到广泛关注,在能源、催化、环境、聚合物等领域具有广泛的应用前景。目前针对特定应用的功能化碳纳米纤维材料的理性设计合成及性能优化,仍然是制约其实际应用的瓶颈。特别是,廉价、宏量、可持续制备碳纳米纤维气凝胶尚未实现。

近日,中国科学技术大学俞书宏教授研究团队提出了一种催化热解的方法来改变木质纳米纤维素的热解过程,首次以廉价的木材为原材料制备了高质量的超细碳纳米纤维气凝胶材料,该成果以“Wood-Derived Ultrathin Carbon Nanofiber Aerogels”为题,发表在《德国应用化学》杂志上(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 7085-7090)。论文的第一作者是博士生李思成


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基于木质纳米纤维素制备超细碳纳米纤维气凝胶材料


纤维素材料广泛存在于自然界的植物中,由于其广泛的来源、低成本以及对环境的友好,木质纤维素材料是一种理想的制备碳纳米纤维气凝胶的前驱物。但是,因为木质纤维素纳米纤维极小的尺寸使其在热解制备碳纤维过程中剧烈收缩而无法保持纤维的形态,迄今为止尚没有使用木材为原材料成功制备碳纳米纤维气凝胶的先例。为此,研究人员提出了一种催化热解的方法,通过使用对甲苯磺酸催化木质纳米纤维素在热解前期迅速脱水,并改变其热解过程和中间产物,使得纳米纤维素在热解后具有高的碳产率的同时,还能够保持很好的三维网状结构。该催化热解转化方法可将廉价丰富的自然界中的前驱物材料转化为高附加值的碳纳米纤维材料,对于发展可再生材料的绿色化学合成具有指导意义。

 

由该方法制备的超细碳纳米纤维平均直径仅为6 nm, 具有很高的电导率(710.9 S m-1)和比表面积 (553~689 m2 g-1)。因其独特的三维网状结构特点和优异的导电性能以及高的比表面积,该研究团队研制的由木材制备的碳纳米纤维气凝胶可以直接用于组装无须粘结剂的超级电容器,并且在纯碳超级电容器材料中表现出优异的电容性能,这种新型碳纳米纤维气凝胶还可应用于水体净化、电催化剂载体和电池电极材料等。论文发表后,被学术媒体ScienceDaily、phys.org、Wiley NewsRoom等以“Wood to supercapacitors”为题作为研究亮点报道。

 

近年来,该团队围绕着碳纳米纤维材料合成、功能化及应用持续开展了一系列的研究,发展了模板指引的水热碳化法及直接碳化生物质细菌纤维素的方法宏量制备碳纳米纤维气凝胶材料,以此类材料为基础通过合理的化学修饰功能化方法制备出了系列功能纳米材料,并探索了这些材料在环境、能源、催化及聚合物复合物等领域的应用(Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1450-1461; Acc. Chem. Res. 2016, 49, 96-105)。


最近,该研究团队应邀为《德国应用化学》撰写题为“Emerging Carbon Nanofiber Aerogels: Chemosynthesis versus Biosynthesis”的评述论文(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201802663),系统分析和比较了该团队发展的化学转化法生物法制备碳纳米纤维材料的优缺点,总结了这两种合成路线制备的碳纳米纤维材料的理化性质、功能化的方法和应用等方面取得的系列进展,提出了今后有关碳纳米纤维气凝胶材料研究的建议和今后值得关注的科学问题。

 

上述工作受到国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点基金、国家重大科学研究计划、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院纳米科学卓越创新中心、苏州纳米科技协同创新中心、合肥大科学中心卓越用户基金的资助。


论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201802753 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201802663 


来源:中国科学技术大学