取向碳納米管及其復合膜的制備和應用.pdf

1、碳納米管具有優(yōu)異的光學、電學、熱學和機械性能，因而在光電、能源、生物、醫(yī)學等諸多領域都顯示重要的應用前景。為了實現大規(guī)模生產應用，目前研究的主要方向是發(fā)展宏觀尺度的碳納米管本體材料，包括陣列、膜和纖維三種形貌，其中碳納米管膜因其方便的制備和廣泛的應用而受到重點關注。但是，因為碳納米管在膜中無規(guī)聚集，無法有效控制和進一步提高碳納米管膜的結構和性能，這嚴重限制了碳納米管膜在多個領域的應用。比如在能源領域，為了解決能源危機，太陽能電池特別是被

2、稱為第三代的染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solarcell，DSSC)，因為較低的成本引起學術界和工業(yè)界的廣泛興趣，而如何進一步提高DSSC的光電轉換效率和穩(wěn)定性，是決定其應用的關鍵因素。目前的主要策略之一是發(fā)展新型電極材料，如碳納米管膜已經被廣泛研究用作對電極，但電荷在無規(guī)碳納米管網絡中傳輸的效率很低。
　　 本學位論文重點提出和發(fā)展了兩種制備取向碳納米管膜及其復合膜的新方法，比較系統地研究了取向碳納米管

3、作為對電極在DSSC中的應用前景。研究工作主要包括如下幾個方面：
　　 超高碳納米管陣列的制備。為了得到具有優(yōu)異機械和電學性能的取向碳納米管膜或復合膜，一個簡單且有效的方法是基于高度取向的碳納米管陣列來制備，因此合成高質量的碳納米管陣列非常重要。本學位論文主要通過化學氣相沉積法來合成多壁碳納米管陣列(碳納米管直徑7-20納米)，比較系統地研究了催化劑、氣體流量、溫度、反應時間等實驗參數對碳納米管陣列高度、密度、純度等的影響規(guī)律，

4、確定了制備高質量的較高碳納米管陣列的最佳條件。
　　 超長取向碳納米管膜的制備及其在DSSC中的應用。目前取向碳納米管膜主要通過干法紡絲從碳納米管陣列中制備，目前合成可紡碳納米管陣列的實驗條件比較苛刻，并且可紡碳納米管陣列的高度往往在300-400微米，最高一般不超過1毫米，由于單根碳納米管的電阻極低，因而取向碳納米管膜的電阻主要來自碳納米管之間的接觸電阻。碳納米管越長，碳納米管之間接觸點越少，越有利于電子的快速傳輸，所以增加碳

5、納米管長度是提高取向碳納米管膜電極應用的關鍵因素。
　　 本學位論文提出了一種新的粘附轉移法，通過普通膠帶將碳納米管從陣列直接轉移到各種基底上。該方法操作簡單、效率高，尤其適用于高碳納米管陣列。通過粘附轉移法制備的超長取向碳納米管膜的室溫電導率達到1150 S/cm，大大超過干法紡絲得到的取向碳納米管膜的電導率(～500 S/cm)。超長取向碳納米管膜具有良好的柔性，彎曲180°后電導率基本保持不變，即使彎曲500次電導率僅下降

6、1％。以上結果表明超長取向碳納米管膜代表了一類新型、高效率的電極材料，特別是可用作柔性電極材料。本學位論文以其取代傳統鉑對電極，構建DSSC，光電轉換效率超過9.00％，遠高于在同等條件下干法紡絲得到的取向碳納米管膜作為對電極時的4.18％，也高于鉑對電極8.05％。比較系統地研究了超長取向碳納米管膜厚度以及碳納米管密度和長度對DSSC性能的影響規(guī)律，發(fā)現膜厚度為4微米和碳納米管密度為2×1011 cm-2時電池效率最高，且電池效率隨著

7、碳納米管長度的增加而增加。另外，以超長取向碳納米管膜作為對電極，構建高效率的柔性DSSC，光電轉化效率為2.29％，也遠高于干法紡絲得到的取向碳納米管膜在同等條件下的1.22％。
　　 平行取向碳納米管/環(huán)氧樹脂復合膜的制備及其在DSSC中的應用。碳納米管具有優(yōu)異的機械和電學性能，而高分子來源廣泛、結構可控、制備方便，通過形成復合材料可以充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢。本學位論文發(fā)展了一種新的切片技術，制備平行取向碳納米管/高分子復合薄膜。

8、概括來說，高分子溶液或熔體加入到碳納米管陣列中，固化后通過傳統的切片技術縱向切片即可得到高質量的復合薄膜，膜的厚度可在50納米到50微米內比較精確地進行調控，復合膜顯示良好的柔性、較好的透明性、較高的導電率。以平行取向碳納米管/環(huán)氧樹脂復合膜為例，當膜厚度為75納米時透光率達到94％。因為復合膜具有良好的柔性，所以主要以其作為對電極，構建柔性的DSSC。
　　 垂直取向碳納米管/石蠟復合膜的制備及其應用。通常制備的取向碳納米管復

9、合膜主要采用環(huán)氧樹脂、聚苯乙烯等高分子體系作為填充組分，在很多情況下，雖然可以通過溶劑、燃燒等方法去除，但常常存在后處理和殘余物較多等問題。而且在這些復合膜中碳納米管主要為平行取向，在垂直膜的方向物理性能都比較低。本學位論文以石蠟作為填充組分，通過橫向切片制備了垂直取向碳納米管/石蠟復合膜，復合膜的厚度也可以在50納米到50微米內進行精確控制。通過真空升華的方法可以輕松有效地去除石蠟，分離出于凈的碳納米管。因為碳納米管垂直于膜表面且上下

10、貫通，因此碳納米管長度和直徑分布都比較窄。進一步通過加熱和超聲處理，可以將碳納米管沿軸向剪開，獲得多層石墨烯納米帶，產率接近100％。因為碳納米管長度和直徑都可以比較精確地控制，所以通過本方法可以有效地控制多層石墨烯納米帶的長度和寬度。
　　 綜上所述，本論文發(fā)展了制備取向碳納米管膜及其復合膜的兩種新方法，這些方法操作方便、效率高，也具有較好的普適性，可以大規(guī)模推廣使用。取向碳納米管膜及其復合膜顯示優(yōu)異的光學、電學和機械性能，可