戴贵平教授：三维石墨烯与氮沉积碳纳米管复合材料的制备

近年来，以碳纳米管和石墨烯为代表的sp2杂化纳米碳材料，既具有非常优异的力学、电学、热学、光学等本征物理性能，还可通过原子掺杂、官能团嫁接、表面修饰等实现其界面化学特性的调控，提升其宏观性能而成为研究热点。

但是，由于纳米材料之间较强的相互作用，碳纳米管和石墨烯容易发生聚团或堆叠，从而阻碍了低维纳米材料的优异性能在三维宏观材料和器件中的发挥，限制了其在复合材料、电化学储能、多相催化等领域的应用。

因此，发展多维度、多组分、多功能纳米碳材料相关的新概念和新型制备方法是实现其性能提升和工业应用的关键所在，而最具代表的莫过于三维石墨烯及其复合材料。

在2018年4月24-25日在苏州“2018低维碳纳米材料制备及应用技术交流会”上，任教于北卡罗莱纳州中央大学的戴贵平教授将会为您详细讲解《三维石墨烯与氮沉积碳纳米管复合材料的制备》。

人物简介

戴贵平，任教于北卡罗莱纳州中央大学，并在南昌大学兼职教授，同时还是超威集团的首席科学家。戴教授在石墨烯，氧化石墨烯，碳纳米管，和其他新型碳纳米材料（主要包括化学气相沉积、等离子弧、电弧放电、化学溶液法等）方面有广泛的研究经验。

此外，他还致力于研究这些材料在电池、超级电容器、电化学储能上的应用。戴教授也是全球专家招募计划的杰出专家之一。

关于超威集团

超威集团创立于1998年，主要致力于动力与储能电池的研发生产，是全球领先的专业绿色能源解决方案提供商。

超威集团于2010年在香港主板上市，现有职工2万多人，在全球拥有108家子分公司,综合实力位居“中国企业500强”第162位、“制造业500强”第67位，中国民企500强第30位，中国轻工百强企业第6位、电池行业首位。

三维石墨烯的制备

石墨烯是具有蜂窝状晶格结构的平面2D层状材料。3D石墨烯则由2D石墨烯片整合而成，具有特定的3D微/纳米结构。迄今为止，研究者已建立了制备3D石墨烯的多种方法(如图1所示)，例如：

(1)定向流动组装法：将氧化石墨烯(GO)溶液通过多孔膜抽滤后，用化学法对其进行还原得到无支载3DrGO纸(图1a，b)；

(2)溶剂/水热法：如对GO薄膜进行水热还原时，利用添加物质产生的CO2和H2O致使rGO的体积膨胀得到3D多孔材料(图1c，d)；

(3)模板界面组装法：如以GO溶液表面凝结的水滴为模板诱导GO自组装，经后续干燥及薄膜高温分解促使GO热还原，形成弹性疏水的3DrGO薄膜(图1e，f)；

(4)化学气相沉积法(CVD)：如以三维多孔镍膜为模板，高温分解甲烷生长石墨烯，用盐酸或FeCl3蚀刻掉模板镍得到具有贯穿式孔结构的三维石墨烯泡沫(3DGF)(图1g，h)。

图1 制备3D石墨烯的多种方法

3D结构可以赋予石墨烯组装体独特的性质，如柔韧性、多孔性、高活性比表面积、优异的传质性能等。因此，近年来国内外对3D石墨烯材料的制备及应用研究十分活跃。

N-CNT的制备

对CNTs进行异原子掺杂，可调控CNTs的性质。氮原子的半径与碳原子接近，容易进入碳纳米管晶格形成C-N键，改变碳纳米管的物理化学性质，拓展碳纳米管的应用范畴。

目前，氮掺杂碳纳米管（N-CNTs）的制备方法可以分为3种：

（1）同步原位掺杂，即在CNTs 的生长过程中进行掺杂；

（2）高温碳化含氮高分子；

（3）在含氮条件下，对碳纳米管进行后处理，如采用等离子体、球磨、水热等方法进行氮掺杂。

根据掺杂氮在碳纳米管中的形态可以分为石墨化氮（N-Q）、氧化吡啶氮（N-6）、吡咯氮（N-5）、氧化吡啶（N-X）、-NO2以及 -NH2等。不同方法制备的N-CNTs具有含量不同的各掺氮形态，致使N-CNTs在催化、储能等方面的性能不同。

3D石墨烯与N-CNTs复合材料优势

在2018年4月24-25日在苏州“2018低维碳纳米材料制备及应用技术交流会”上，戴贵平教授所要提到的三维石墨烯与氮沉积碳纳米管复合材料实现了碳纳米管与石墨烯实现了原子尺度的链接。

这种独特的结构不仅为电子传输和离子扩散提供了三维联通的网络，而且氮原子在碳骨架的改性能够显著改变表面电子分布，进一步提高电子电导率。

除此之外，由于氮原子的引入也会促进碳材料的表面吸附性能和电化学活性，这一特征将显著促进多硫化锂的吸附，对锂硫电池的研究有着重大意义。