双电层对纳米石墨材料稳定性的影响

纳米石墨材料作为当前应用领域最广的“明星”材料之一,拥有众多家族成员,许多成员被誉为里程碑式的重大科学发现。如2004英国Manchester大学Geim等人发现的石墨烯、以及数十年来经久不衰的碳纳米管等。纳米石墨材料凭借其卓越的性能在锂离子电池、燃料电池、超级电容器、太阳能电池、光催化等诸多热点领域中都有着巨大的应用前景。但是纳米石墨材料的电化学稳定性将会制约着整个电池或器件的寿命。这也是当前纳米石墨材料运用所面临的一个难题,如果能解决这一难题无疑将会有效促进新能源技术的快速发展。

近来,以武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室为主要研究单位,木士春教授等研究学者针对纳米石墨材料电化学氧化这一问题开展了深入的研究,取得了重要进展。研究结果表明,纳米石墨材料在电解液中的稳定性与其自身一个重要的物理量即双电层密切相关。在高电位加速实验中,材料本身初始双电层与被氧化程度二者之间成正比例关系。而纳米石墨材料双电层的大小,主要取决于材料的比表面积、导电性等特性,可以说是这些特性的一个直观综合体现。这一成果使得通过简单方法快速比较纳米石墨材料抗氧化性能成为可能。同时,研究还发现,碳纳米管与石墨烯具有不同的氧化过程,碳纳米管两端被氧化速度明显快于管壁,所以整个氧化过程显示为从两端开始,逐渐向中间氧化。石墨烯边缘及缺陷部位碳原子被氧化速度较快。这是因为缺陷处碳原子存在悬键及结合其他官能团所引起的。基于纳米石墨材料双电层与抗氧化性二者之间的关系,他们进一步提出了一种有效提高纳米石墨材料稳定性的新思路,即采用全氟磺酸功能聚合物修饰纳米石墨材料以降低其双电层厚度,进而提高纳米石墨材料的稳定性。测试研究结果表明,全氟磺酸修饰碳纳米管的双电层降低后,其抗氧化性能较未改性之前提高三倍。该方法简单且具有高度的可操控性。该工作中所采用的功能聚合物修饰纳米石墨材料的方法,具有普适性,可以针对不同的应用要求,灵活地选择功能聚合物,如聚苯胺等导电聚合物。这一成果将会在提高纳米石墨材料稳定性方面具有重要的指导作用和潜在的应用价值。