单壁碳纳米管/石墨烯杂化材料的电弧法合成及应用研究

Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) and graphene are one- and two dimensional carbon nanomaterials, respectively. They all have high electrical conductivity, high thermal conductivity, high carrier mobility, and ultrahigh mechanical strength. They show potential applications in energy and electronics, especially in energy transformation and storage. However, CNTs and graphene have their own drawbacks, such as easy to aggregate, weak dispersibility, and their films showing lower conductivity and degraded mechanical properties. As SWCNTs and graphene are mutually complementary in structure and properties, when they are integrated into a hybride, the hybrid not only preserve their intrinsic electrical and mechanical properties and make up for the drawbacks, but also show better properties than one of them. In this project, we will synthesis SWCNTs/graphene hybrid and its aligned films in one step by arc discharge method, exploring the intergrowth mechanism of SWCNTs and graphene, and determine the performance of the hybride as the transparent electrode of organic photovoltaic cell. Furthermore, SWNTs/graphene/metal oxide three component hybrid will be synthesized in one step by arcing, and the performance of the hybrid as the active electrode materials of supercapacitors will be investigated.

单壁碳纳米管(SWNTs)和石墨烯(graphene)分别是一维和二维碳纳米材料，它们都具有高导电率和热导率、高载流子迁移率、高强度和刚度等特性，在能源、电子尤其是能量的储存和转化方面具有很好的应用前景。但它们也存在诸如易聚集、成膜后导电性和机械性能降低等问题。由于二者在结构和性质上具有互补性，形成杂化材料不仅能弥补各自的不足、保持它们原来的优异性能，而且杂化材料的性能优于单独一种材料。本项目拟使用电弧法一步合成SWNTs/graphene杂化材料及其平行取向膜，探索电弧炉中SWNTs和graphene共同生成的机理，并检测该材料作为有机光伏电池透明电极的性能。在此基础上，电弧法一步合成SWNTs/Graphene/MOx三元杂化材料，并作为电极材料应用于超级电容器的研制。

单壁碳纳米管(SWNTs，简称S)和石墨烯(graphene，简称G)都具有高导电率、高载流子迁移率、高强度等特性，在能源、电子尤其是能量的储存和转化方面具有很好的应用前景。但它们也存在诸如易聚集、成膜后导电性和机械性能降低等问题。由于二者在结构和性质上具有互补性，形成杂化材料不仅能弥补各自的不足，还能形成协同作用。本项目研究了电弧法一步合成S/G杂化材料的方法，分别研究了 氢氦混合气体系和二氧化碳氦混合气体系中气体总压、H2/CO2分压、催化剂用量、电流等工艺条件对产物组成的影响，发现催化剂的用量和H2/CO2分压是主要决定因素。然后基于SWNTs具有磁化率的各向异性的特点，通过引入一个由永磁铁产生的弱平行磁场，原位沉积得到了S/G杂化材料平行取向膜。在此基础上，探讨了S/G同步生成的机理。研究了基于S/G杂化材料的透明导电膜，同纯石墨烯膜相比，杂化材料膜的导电性得到了明显提高。不过，由于S/G杂化材料透明电极在可见光区的透光性不甚佳，光伏器件的光电转化效率仅为0.15%。我们使用S/G杂化材料作为电极活性材料制作了有机系超级电容器，尽管其导电性(273 S/m)远高于商用活性炭材料（约4 S/m），但是由于材料的比表面积较低（约为65 m2/g），其比电容值仅为约30 F/g。为提高材料的电容值，我们利用KOH对S/G进行了活化，使其比表面积提高到约190 m2/g，导电性仍能保持在约259 S/m。活化后电容器的比电容提高到350 F/g。可见比表面积对超级电容器电极材料非常重要，为此，我们调整了研究计划，不再做S/G/氧化物三元杂化材料，改为研究基于石墨烯的多孔碳材料，通过提高碳材料的比表面积、调整其孔分布，从而提高超级电容器的性能。后又合成了化学交联的三维石墨烯体相材料，能够从宏观上体现微观单层石墨烯的优异性能，开展了一系列的基于三维石墨烯体相材料的应用研究探索。