《原位氣相熱解製備均勻複合氧化物/碳納米管功能材料》是依託天津大學，由侯峰擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：原位氣相熱解製備均勻複合氧化物/碳納米管功能材料
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：侯峰
- 依託單位：天津大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
氧化物與碳納米管複合作為電極材料，能明顯提高鋰離子電池的比容量、循環壽命和高倍率特性。但採用先合成碳管，再通過液相或氣相沉積工藝，將氧化物負載在碳管表面的後處理方法製備複合材料，存在一個共性難題是預合成的碳管易團聚，並且難分散。本項目採用在合成碳管的浮動催化氣相反應系統中原位引入氣相熱解沉積氧化物的方法，提出以均勻分散在氣相中的浮動碳管為載體，在碳管團聚前，製備均勻複合氧化物/碳管功能材料的新構思，並且通過單獨控制碳管和氧化物的形成過程，找到有效調控複合材料結構、組成和形態的關鍵因素。通過研究TiO2、SnO2和MnO2在均勻分散的浮動碳管上的氣相熱解沉積反應，結合高溫反應熱力學和動力學理論，建立氧化物在碳管表面異相成核和生長模型，揭示氧化物的形成機制。通過建立複合材料結構、組成與電化學性能的關係，揭示碳管與氧化物間的功能協同效應對鋰離子電池性能的影響規律。
結題摘要
碳納米管/金屬氧化物複合材料在太陽能轉換、水裂解制氫、鋰離子電池、光催化降解環境污染物和超級電容器等領域具有廣泛的套用潛力。但傳統採用先合成碳管，再通過液相或氣相沉積工藝，將氧化物負載在碳管表面的後處理方法製備複合材料，存在一個共性難題是預合成的碳管易團聚，並且難分散。通過本項目的研究，我們開發了一種一步化學氣相沉積法，可控制備連續碳納米管/金屬氧化物膜的途徑。當把碳源和金屬氧化物前驅體同時沿氣流方向注入反應裝置時，獲得的複合膜不需要任何預處理就可以直接作為鋰離子電池的負極材料，並且碳納米管和金屬氧化物間具有很好的協同效應，提高複合材料的電化學性能。多孔、高導電的碳納米管網路作為基體，能夠與金屬氧化物緊密接觸，保證電子的迅速傳導，而沉積的金屬氧化物能夠明顯提高碳納米管膜的比容量。另外，所製備的負極膜材料不含有粘接劑，具有很好的結構穩定性。我們還設計了以均勻分散在氣相中的浮動碳管為載體，在碳管團聚前，製備具有同軸結構均勻複合的氧化物/碳管功能材料方法。這個過程包括採用常規化學氣相沉積反應製備碳納米管，然後在氣相流下游原位引入金屬氧化物熱解反應，並且通過單獨控制碳管和氧化物的形成過程，找到有效調控複合材料結構、組成和形態的關鍵因素。同軸結構氧化物/碳管複合材料具有較高的比容量原因，是因為在複合材料體系中氧化物的容量得到了很好的發揮。碳納米管網路作為氧化物均勻成核場所，能夠有效避免氧化物自身發生團聚，從而有更多的電化學反應活性位。同時，均勻分布在碳納米管束上的氧化物也能夠阻止碳納米管的團聚，從而也利於提高碳納米管的比容量。另外，作為金屬氧化物沉積的宿主，碳納米管能夠提供較高的電子傳輸路徑和改善氧化物的氧化-還原動力學性能，並且氧化物均勻沉積在多孔碳納米管網路中，能夠明顯縮短電解質中離子擴散和傳輸的路徑，也能明顯改善氧化-還原動力學性能。採用水平放置化學氣相沉積反應裝置，通過後續拉伸處理反應器尾部的氣凝膠過程，我們製備了碳納米管和石墨烯複合棉線，它是由幾十條直徑大約20微米的單一棉線纖維組成。這些棉線纖維主要包含雙壁碳納米管束和石墨烯片層，石墨烯的含量和尺寸沿著纖維軸的方向改變。經過搓捻的碳納米管和石墨烯複合棉線的強度為300MPa，導電率為105 S/M。採用垂直放置化學氣相反應裝置，以水密封化學氣相反應大規模製備連續碳納米管膜，製備碳納米管膜速度為22 m2/h。
