技术详细介绍
碳纳米管海绵材料具有轻质、柔性、抗腐蚀、耐 高温等特点。微观上具有三维多孔结构，能够承受大 应变的反复压缩而不坍塌，同时，碳纳米管互相搭接 形成高导电的三维网络。这种综合的优良力学和电学 性能使得碳纳米管海绵在功能复合材料、吸附过滤等 领域具有广阔的应用前景。近年来，随着社会对清洁、 可再生能源的日趋重视，各种能量转换和存储器件的 研究如火如荼。北京大学工学院课题组因此也探索了 碳纳米管海绵在能源领域的新应用，取得了一些重要 的进展和成果。具体如下：（1）通过在碳纳米管海绵内部均匀可控负载多种 有机、无机活性物质，制备了高性能三维多孔电极材料, 应用于超级电容器、锂离子电池等能量存储器件。以碳纳米管海绵为多孔模板和载体，通过原位生 长或后处理方法引入鹰电容有机物、氧化物、钙钛矿、 介孔硅/碳、二维材料、金属有机框架（MOF）等多 种活性物质，获得了一系列均匀负载、结构可控的三 维多孔复合材料，并用作超级电容器、锂离子电池等 能量存储器件的电极。其中，三维互连的高导电碳纳 米管网络作为电子传输的快速通道，其上负载的有机 或无机活性物质提供大量、均匀分布的纳米级活性位 点，同时，海绵内部连通的大孔和介孔成为电解液浸 润和离子传输的多级孔道。这些结构特点有利于电子 和离子的高效传输及锂离子脱嵌等电化学反应。例如， 项目研究了可在高度压缩条件下工作的自支撑的碳纳 米管电容有机物（PPy, PANI等）复合海绵超级 电容器电极（ACS Applied Mater. & Inter. 2014, 6, 5228 ）,并采用双层有机物核壳结构显著提高了其循 环稳定性（Nanoscale 2016, 8, 626 ）。开发了具有 同轴纳米管结构的CNT-MOS2及杂化CNT-Nb2O5, CNT-CO3O4, CNT-meso-SiO2, CNT-LaSrMnCM, CNT-MOF等新型三维多孔锂离子电池或锂空气电极, 获得了良好的比容量和循环稳定性。（2 ）制备了新型碳纤维-碳纳米管海绵多级杂化 结构，在功能复合材料、纤维型能源器件领域有广阔的应用前景。轻质、高强度碳纤维复合材料在航空航天等领域有 广泛的应用，其中，在碳纤维表面嫁接碳纳米管获得多 级结构是增强与有机物基体的界面作用及复合材料力学 性能的有效手段，然而，目前人们只能在碳纤维表面吸 附或生长一薄层碳纳米管（通常小于100微米），无法 充分发挥这种多级结构的优势。项目在直径为7微米的 单根碳纤维表面直接生长宏观厚度（1-10毫米）的海 绵，在海绵的底部有一个过渡层（碳纳米管被非晶碳包 覆）能够增强界面作用，使得拉伸测试时碳纤维从环氧 基体中的滑脱被完全抑制，有利于改进碳纤维复合材料 的界面特性从而提高力学性能。更重要的是，传统的纤 维材料、碳纳米管或石墨烯纺丝都比较密实，而海绵具 有三维多孔结构，可以负载不同的活性物质制备功能器 件，开发更多的应用。例如，碳纤维-碳纳米管海绵-PPy 和碳纤维-碳纳米管海绵-MnO2复合结构可用作超级 电容器和锂离子电池的纤维型电极材料（Adv. Mater. 2018） 0此外，课题组还通过将海绵内的多壁碳纳米管 原位剖开的方法制备了石墨烯纳米带气凝胶，具有良好 的超级电容器性能（Adv. Mater. 2014, 26, 3241 ）。