弦歌八十载 奋进新时代-校庆系列学术讲座——量子论坛第一百零二讲

报告题目：碳纳米材料及其电化学性能

报告人：范修军，晶态材料研究所，山西大学

报告时间：10月22日上午11点

报告地点：量子楼410会议室

碳基纳米材料涵盖范围广，是一类应用广泛的结构和功能材料。其中碳纳米洋葱(onion like carbon，OLCs)、碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)、石墨烯纳米带(graphene nanoribbons，GNRs)是近几十年发现的碳材料家族的新成员，它们在燃料电池、电催化、超级电容器等电化学能源存储与转化领域具有广泛的应用。不同维度的碳纳米材料又可以相互转化，如一维的碳纳米管可以剖开形成二维石墨烯纳米带。GNRs因其独特的片状结构和优异的性能使其在催化反应、能量存储与转化及作为离子传输通道等方面具有较好的应用前景。将GNRs制成阵列或准阵列形成三维结构可显著提高其比表面积。同时，CNTs和GNRs的三维结构在高温和还原气氛下能够稳定维持，这为进一步制备CNTs/GNRs复合结构提供了材料基础。碳基纳米材料与金属碳化物以及金属纳米颗粒复合形成的复合材料则在能源以及环境领域表现出巨大的应用前景。合成具有不同结构的碳纳米材料，如垂直碳纳米管整列和石墨烯纳米带，可以结合双方的优势，扩大其应用前景。

热丝-CVD（HF-CVD）常见于生长高熔点合金材料，如金刚石、碳化钨、碳化硅（SiC）等。热丝-CVD生长温度高，其热丝温度最高可达2200^oC，而炉体可以维持在相对较低的温度。在此条件下，碳源气体被活化、裂解与金属衬底发生反应，生成相应的金属碳化物。此外，热丝-CVD具有高度的灵活性和可扩展性，易于放大制备。热丝-CVD利用金属而不是汽化的含金属试剂作为前驱体，不引入其他杂质，具有设备容易放大，均匀性好等特点。

本工作基于热丝-CVD法，利用热丝-CVD所产生的原子态氢制备了垂直石墨烯纳米带(VA-GNRs)和碳纳米洋葱-石墨烯纳米带(OLCs-GNRs)，碳化钨-碳纳米管(WC-CNTs)、M₃C (M: Fe, Co, Ni)和碳化钼-石墨烯纳米带(Mo₂C-GNRs)的复合材料，提出了原子态氢制备碳基纳米材料的生长机理。将VA-GNRs、OLCs-GNRs、WC-CNTs、M₃C-GNRs和Mo₂C-GNRs分别应用于电化学能源存储与转换之中，获得了高能量密度、高功率密度的超级电容器和高活性、高稳定性电化学催化剂。本研究方法可以方便地扩展到其他碳化物和氮化物纳米结构的设计与制备之中，弥补传统化学方法在制备纳米材料方面的不足。