碳纳米管海绵功能复合材料的可控制备及储能应用

轻质、高强度碳纤维复合材料在航空航天等领域有广泛的应用，其中，在碳纤维表面嫁接碳纳米管获得多级结构是增强与有机物基体的界面作用及复合材料力学性能的有效手段，然而，目前人们只能在碳纤维表面吸附或生长一薄层碳纳米管（通常小于100微米），无法充分发挥这种多级结构的优势。项目在直径为7微米的单根碳纤维表面直接生长宏观厚度（1-10毫米）的海绵，在海绵的底部有一个过渡层（碳纳米管被非晶碳包覆）能够增强界面作用，使得拉伸测试时碳纤维从环氧基体中的滑脱被完全抑制，有利于改进碳纤维复合材料的界面特性从而提高力学性能。更重要的是，传统的纤维材料、碳纳米管或石墨烯纺丝都比较密实，而海绵具有三维多孔结构，可以负载不同的活性物质制备功能器件，开发更多的应用。例如，碳纤维-碳纳米管海绵-PPy和碳纤维-碳纳米管海绵-MnO2复合结构可用作超级电容器和锂离子电池的纤维型电极材料（Adv.Mater. 2018）。此外，课题组还通过将海绵内的多壁碳纳米管原位剖开的方法制备了石墨烯纳米带气凝胶，具有良好的超级电容器性能（Adv.Mater.2014,26,3241）。

北京大学工学院课题组探索了碳纳米管海绵在能源领域的新应用，取得了一些重要的进展和成果。具体如下： （1）通过在碳纳米管海绵内部均匀可控负载多种有机、无机活性物质，制备了高性能三维多孔电极材料，应用于超级电容器、锂离子电池等能量存储器件。以碳纳米管海绵为多孔模板和载体，通过原位生长或后处理方法引入赝电容有机物、氧化物、钙钛矿、介孔硅/碳、二维材料、金属有机框架（MOF）等多种活性物质，获得了一系列均匀负载、结构可控的三维多孔复合材料，并用作超级电容器、锂离子电池等能量存储器件的电极。其中，三维互连的高导电碳纳米管网络作为电子传输的快速通道，其上负载的有机或无机活性物质提供大量、均匀分布的纳米级活性位点，同时，海绵内部连通的大孔和介孔成为电解液浸润和离子传输的多级孔道。这些结构特点有利于电子和离子的高效传输及锂离子脱嵌等电化学反应。例如， 项目研究了可在高度压缩条件下工作的自支撑的碳纳米管-赝电容有机物（PPy,PANI等）复合海绵超级电容器电极（ACSAppliedMater.&Inter.2014,6,5228），并采用双层有机物核壳结构显著提高了其循环稳定性（Nanoscale2016,8,626）。开发了具有同轴纳米管结构的CNT-MoS2及杂化CNT-Nb2O5, CNT-Co3O4, CNT-meso-SiO2, CNT-LaSrMnO4,CNT-MOF等新型三维多孔锂离子电池或锂空气电极， 获得了良好的比容量和循环稳定性。 （2）制备了新型碳纤维-碳纳米管海绵多级杂化结构，在功能复合材料、纤维型能源器件领域有广阔的应用前景。