“三聚氰胺辅助法制备高性能碳纳米材料”通过钴催化下热解三聚氰胺在碳纳米纤维表面原位生长碳纳米管,产物较多且与纤维形成力学性能较好的复合材料,可在催化、涂层和结构材料等多领域广泛应用。
在我国,应该没有第二种有机化合物像三聚氰胺一样“出名”了。2008年毒奶粉事件让三聚氰胺一夜之间臭名昭著,以至于众多企业为了让市场接受,在长达7年乃至更长的时间里,对“三聚氰胺”这个名字避而远之。
实际上,三聚氰胺是一种化工产业原料,具有耐高温、阻燃、防溅、防热幅射等特点,通常作为阻燃材料被广泛应用于耐火、防火织物,滤材,衣着面料,航空和建筑材料等领域。
其实只要用对了地方,昔日的“毒奶粉”也能变成“宝贝”。西安交通大学副教授张垠和西华大学副教授韩锐合作研发的“三聚氰胺辅助法生长高性能碳纳米材料”,让三聚氰胺在新的位置上,发挥了更高的应用价值,不仅能够增加电池负极材料性能,还有望在纺织业等制造业领域“大显身手”。
实现碳纳米管在碳纤维上三维生长
“这源于一次偶然的实验。”谈起研发初衷,张垠陷入回忆。几年前,张垠和他的团队参加了浙江省关于“石墨和硅”的研究,结题后留下许多开放性问题,开发电池负极材料便是其中之一。
利用静电纺丝技术制备的碳纳米纤维材料是一种“柔软”的框架材料,具有提高电极电容量和耐用性能的作用,这也是张垠团队最初设想的理想负极材料。在之后的开发过程中,考虑到碳纳米管良好的力学性能和导电性,团队“突发奇想”,能不能在静电纺丝上生长一些碳纳米管,进一步提高负极材料性能。
在查阅大量文献后,张垠发现,常用的制备方法所使用的碳源为甲烷、乙炔,成本高能源消耗大。“三聚氰胺成本低,含碳量相对比较丰富,我们就想做一个尝试,没想到成功了。”
张垠团队利用静电纺丝所制备的纳米纤维为碳基体,与一定量的三聚氰胺在不同温度下进行共烧保温处理,通过铁、钴等催化剂的添加,以及铝的保护氛围,最终获得了具有高掺杂度和优异性能的碳纳米管-纤维复合材料。研究表明,处理后的碳纳米管均匀地生长在了碳纤维表面,形成了复杂的多孔三维网络结构,而该方法被张垠和韩锐命名为“三聚氰胺辅助法”。
与传统的一维碳纳米管相比,三聚氰胺辅助法制备的碳纳米管可在纳米纤维表面三维生长,这意味着其具有更优异的导热、导电性能。“因为它是在主生长方向的侧向同时发生了生长,比如原本只是在x轴方向排列生长,现在y轴、z轴也有一些复生生长,那我们的导热和导电也能够从三个方向上同时进行。”韩锐解释道。
此外,三聚氰胺辅助法制备碳纳米管具有一定的普适性,它可以在不同材料、不同物质形状上实现碳纳米管的生长。“以前可能没有办法在一些固定的原料上生长碳纳米管,但通过这个方法,我们先把碳纤维加进去,碳纳米管就能够在这个材料上进行生长了。”张垠说,用三聚氰胺辅助法制备的碳纳米管,是在碳纤维材料表面进行原位均匀生长的,因此这突破了相对固定的应用限制,具有更多可能性。
在多个领域表现出广阔的应用前景
“这个‘未来’的材料应用面非常广阔。”当聊到这一科技成果时,张垠侃侃而谈,对未来的发展充满了信心。
目前,张垠和韩锐已经在电池领域的应用上取得了实验成功。根据数据测试显示,以三聚氰胺辅助法制备的碳纳米材料,可以将电池的循环和倍率性能提升30%~50%。
“电池在放电的过程中,负极材料或者正极材料,有一个膨胀效应,即电池在运作供电的时候,电离子进入后会发生膨胀,流出后又会发生收缩,时间久了后,膨胀或者收缩对材料的影响就会变成不可逆,而体积的不可逆是电池每次循环容量减少的主要原因之一。”张垠说,他们合作制备的电池负极材料,质地更柔软,具备良好的力学性能,可以延缓不可逆的发生。“比如一个电池的容量是1000毫安时每克,发生几次循环后,就降到800、600,但加入我们新制备的碳纳米复合材料后,就能够维持在800,相当于减缓了下降的速率,电池的使用时间就可以获得延长。”
据了解,目前已有电池领域相关企业和张垠、韩锐取得联系,正在准备洽谈合作事宜。此外,也有纺织企业联系到他们,希望他们能够帮其实现衣物的智能化。
三聚氰胺法制备的碳纳米材料,除具备优异的力学性能、导电性外,还具有保温隔热的作用。纺织企业联系到张垠和韩锐,希望他们能够在衣服里加入这个材料,看能否制作出一些新型的具有传感性能的智能衣服。对此,张垠表示虽然目前还没有做出特别好的样本,但已取得了一些突破,从理论上来说是完全可行的。
要实现衣服智能化,就需要在衣服上进行布线,支持电流流动。张垠认为,他们可以通过控制碳纳米管定向生长,从而根据需要,提高衣服某一处的导电性,实现衣服的智能感知、温度显示、温度调节等作用。尽管目前张垠和韩锐针对该领域的应用还处于探索阶段,但他们已胸有成竹。
不只是电池、纺织业,张垠表示,未来的市场是巨大的,储能、环保、催化以及一些碳支持材料等领域也将有所涉及。“我们可以根据具体的应用来设计材料,应用的领域将会更广阔。”
张垠和韩锐表示,接下来将继续推进和企业的洽谈工作,推动成果转化,同时也将继续扩展 “三聚氰胺辅助法生长高性能碳纳米材料”的应用价值,最终实现规模化应用。
目前,“三聚氰胺辅助法生长高性能碳纳米材料”已在“天府科技云”平台“抛售”,“科服保姆”也帮其对接了相关领域企业以促进双方合作。张垠和韩锐希望能够以此次“科创会”为契机,进一步提高项目关注度,加强和企业交流沟通,让成果从实验室成功走向生产线,让科技成果的应用价值实现最大化。