核壳结构氮掺杂碳纳米管复合纤维

由于其独特的化学结构和优异的机械、电学、电化学催化性能,碳纳米管被广泛应用于光电器件和电化学器件中:如有机光电器件中的电极材料或电荷传输材料,燃料电池和染料敏化太阳能电池中的催化剂等等。

但通过传统溶液方法制备的碳纳米管往往无规聚集,难以充分发挥碳纳米管优异的物理化学性能。近年来,研究人员发展了一种新的干法纺丝方法,把碳纳米管编织成宏观的纤维,在纤维中碳纳米管高度取向排列,因此该纤维显示出非常优异的机械和电学性能,而柔性的纤维结构也将赋予它们独特而重要的应用前景。另一方面,传统的贵金属电极材料如铂因为高昂的成本,严重限制了其在各种器件如燃料电池的大规模推广应用,发展低成本的替代电极材料迫在眉睫。

复旦大学的彭慧胜教授及合作者们利用化学气相沉积的方法首次在取向碳纳米管纤维的表面又生长一层网状氮掺杂碳纳米管,形成具有核壳结构的氮掺杂碳纳米管复合纤维。因为氮原子的吸电子特性,氮掺杂后碳纳米管具有更高的电化学催化活性。上述复合纤维把碳纳米管纤维的三维跳跃导电性能和掺氮碳纳米管良好的电催化性能巧妙地结合起来,从而表现出优异的电化学催化性能。

为了测试这种复合纤维的性能,他们首先以复合纤维取代铂用作燃料电池的电极材料,结果显示:复合纤维在碱性条件(0.1M氢氧化钠水溶液)下对氧气具有很高的还原性能,其氧还原的电流密度是相同条件下铂丝电极的近5倍。同时,基于优异的电化学催化性能,该复合纤维还可以广泛地应用在各种敏感检测器件中,如复合纤维电极对H2O2的检测具有很高的灵敏度,可达1.0 μA mM-1,这一技术可应用于生物、食品、环境等领域的微量检测分析。

研究人员进一步表示,除了优异的电化学性能,复合纤维优异的机械和电学性能也赋予它们在各种光电器件中的巨大应用前景,如用作各种太阳能电池的电极材料等。

T. Chen et al., Adv. Mater. 2011, DOI: 10.1002/adma.201102200

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Comments

  1. 仰志斌 says:

    非常有创意!

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