低温合成sp2碳纳米材料 | 武汉大学付磊教授最新综述

来源：中国科学杂志社

sp2碳纳米材料由sp2杂化的碳原子以六方晶格排列而成, 其中未成对电子会形成π键, 这赋予其独特的物理化学性质, 在光电器件、传感器、能量存储与转换器件等领域具有重要的应用潜力。

制备sp2碳纳米材料的方法主要有电弧放电法及化学气相沉积法等, 合成过程主要包括以下步骤: (1) 在催化剂作用下前驱体被分解为碳自由基; (2) 碳自由基互相结合形成晶核; (3) 成核点继续与碳自由基结合, 形成sp2碳纳米材料。这些方法所需要的生长温度通常超过1000 ℃, 限制了sp2碳纳米材料的大规模工业生产。为了实现sp2碳纳米材料的实际应用, 降低其合成温度, 进而减少能耗及生产成本, 提高工业生产安全性, 显得尤为重要。另外, 如果能在低温下实现在多种衬底上直接生长sp2碳纳米材料, 例如聚合物薄膜, 将会极大地促进柔性电子器件领域的发展。

近日, 武汉大学付磊教授团队在Science Bulletin 在线发表了题为“Low-temperature synthesis of sp2 carbon nanomaterials”的综述文章, 系统总结了低温生长sp2碳纳米材料的最新研究进展, 主要探讨了低温生长的策略和生长机理。                                             

综述总览图

该文从生长步骤入手, 详细介绍了各个生长阶段的反应机理, 总结了低温生长的主要策略, 主要包括以下3种: 

(1) 选择具有高反应活性的前驱体, 例如含有卤素、芳环结构或碳链骨架的含碳化合物;

(2) 调整催化剂的组分及物态, 例如选择合金或液态金属作为催化剂; 

(3) 为前驱体的裂解引入额外的能量, 如微波能、等离子体能等, 以减少热能供给。

通过这些策略, 研究者在较低温度下实现了sp2碳纳米材料的成功制备, 为后续性能研究及实际应用打下坚实的基础。

在文末, 作者讨论了低温生长sp2碳纳米材料当前面临的挑战, 并对其发展前景及方向进行了展望, 包括利用原位表征技术探究低温生长机理, 丰富石墨烯和碳纳米管的基础研究, 以及低温生长其它新兴的二维材料, 如过渡金属硫属化合物等。此外, 如何在接近室温下实现sp2碳纳米材料的生长并同时保持所制备材料的高质量也是未来研究的重点。

文章信息：

Yu Ding, Mengqi Zeng, Lei Fu. Low-temperature synthesis of sp2 carbon nanomaterials. Science Bulletin, 2019, doi: 10.1016/j.scib.2019.10.009

https://doi.org/10.1016/j.scib.2019.10.009