Small Methods: 基于稳定焦耳热原位构建项链状碳化硅/碳纳米纤维薄膜

碳化硅/碳纳米复合材料因其优良的力学、光电和化学性质,在能源催化领域有着广泛的应用前景。然而碳化硅纳米颗粒与基体之间微弱的结合强度会导致碳化硅纳米颗粒从基体上脱落;另外纳米颗粒容易团聚的特点,使得碳化硅纳米颗粒的均匀分散具有较大的难度。长期以来,研究人员致力于具有高稳定性的碳化硅/碳纳米复合材料的构建。

近期,马里兰大学材料科学与工程系的胡良兵教授课题组设计了一种利用稳定焦耳热原位构建碳化硅/碳纳米复合纤维薄膜的方法。该方法使用由硅纳米球与聚丙烯腈混合电纺,碳化制备的纳米纤维薄膜作为前驱体,使用外部可控电源施加电流产生稳定的焦耳热源,温度可达2000 K。在稳定高温的条件下,硅原子与碳原子成键为碳化硅,迅速形核长大,最终原位合成项链状碳化硅/碳的纳米纤维复合材料。

该方法的优势在于原位合成的碳化硅和碳基体之间有着较高的结合强度,同时碳化硅纳米颗粒能够保持较高的比表面积。前驱体薄膜既为碳化硅的生成提供碳源和硅源,同时也作为一个微型加热炉,温度可控且升温迅速(几秒钟之内升至2000K),有效的保证了碳化硅颗粒均匀地生成,杜绝了传统纳米复合材料出现的团聚现象。在持续焦耳热的作用下,纳米纤维中的碳完成了由无定型态到高度结晶化的转变,碳基体的高度结晶化促使碳化硅纳米复合薄膜的电导率有显著的升高。同时由于反应中碳化硅生成导致碳的不断消耗,碳纳米纤维的直径尺寸也在不断减小。稳定焦耳热反应法,作为一种有效的可以量产的方法,可以被推广至原位构建更多纳米复合材料,具有广泛的应用前景。

相关研究成果在线发表于Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201700371)。

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