纳米介孔功能高分子/碳纳米管复合阵列的制备及应用研究

导电高分子与碳纳米管的一维复合纳米结构在光电器件、传感等领域具有重要应用前景。本项目提出纳米介孔导电高分子/碳纳米管一维复合结构及其有序阵列的新型纳米结构。将利用金属纳米粒子与碳纳米管壁的区域点选择性催化反应，蚀刻管壁制备具有纳米介孔的碳纳米管。以此为新型纳米模板和研究的突破口，通过化学或电化学途径沉积聚合导电高分子在其表面，获得具有纳米介孔的导电高分子/碳纳米管一维复合结构，并将其有序组装为自支撑的直立阵列结构以利于高效表面和界面反应。对其进行组成和结构分析，研究微观结构对其性能的影响。并探讨纳米介孔导电高分子/碳纳米管一维复合结构作为一种新型材料在电化学超级电容器、传感器等方面的潜在应用。这一项目将为一维纳米介孔复合材料的形成与组装机理提供新的认识，为研制高性能功能器件提供新材料和技术支撑。

本项目围绕纳米介孔导电高分子/碳纳米管一维复合结构的制备、调控和组装应用等几个方面开展系统研究，研究内容主要包括介孔碳纳米管的制备与调控，导电高分子与介孔碳纳米管的复合结构的制备、调控以及有序组装，并研究其在传感、储能材料等方面的应用。通过系统研究，探索出一条有效制备高分子/介孔碳纳米管复合物的途径，并研究其在电容器等方面的性能及应用。. 通过3年的研究，完成了纳米介孔碳纳米管及其有序阵列的控制制备，及作为超级电容器电极的性能表现(2011年)；完成了纳米介孔导电高分子/碳纳米管一维复合结构及其有序阵列的制备，对其电容等方面性能进行了探索（2012年）；在此基础上，延伸探索了碳纳米管及石墨烯基材料与金属氧化物、导电高分子等材料的复合及其在电容器等储能器件方面的应用（2013年）。.主要研究成果为：1）发展了电化学腐蚀的方法，引入含氧官能团及物理缺陷，制备介孔碳纳米管。可直接作为超级电容器电极，电容值大幅提高，比电容高于初始碳纳米管的超级电容器10倍。尽管在电化学处理过程中引入了缺陷，但碳纳米管阵列的化学稳定性及比电容值仍能够保持稳定。2）在得到介孔碳纳米管阵列的基础上，使用电化学沉积方法，在介孔碳纳米管表面复合聚吡咯。由于介孔碳纳米管表面的空洞及缺陷，电极的有效利用面积得到大幅提升，碳管的内外壁均复合有聚吡咯。该复合物表现出了比各组对比样品均优越的电容性能，比电容高达587F/g，几乎接近聚吡咯的理论电容值。表现出了很好循环寿命和化学稳定性，经历1000个充放电循环，基本无电容衰减，很好解决了聚合物高电容但稳定性差的缺点。3）另外，在上述研究的基础上，也制备了基于石墨烯量子点的介孔碳管结构，探索了同为碳基的石墨烯与聚合物的复合结构在在储能器件等方面的应用。相关研究成果发表SCI论文约30篇，代表性论文包括Chem. Res. Chin. Univ., 2012, 28, 302. Electrochim. Acta, 2012, 66, 279. Nanotechnology, 2013, 24, 195401. Adv. Mater., 2011, 23, 776. ACS Nano 2012, 6, 2237. Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 11371. J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 15等。