“三聚氰胺輔助法制備高性能碳納米材料”通過(guò)鈷催化下熱解三聚氰胺在碳納米纖維表面原位生長(zhǎng)碳納米管，產(chǎn)物較多且與纖維形成力學(xué)性能較好的復(fù)合材料，可在催化、涂層和結(jié)構(gòu)材料等多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

在我國(guó)，應(yīng)該沒(méi)有第二種有機(jī)化合物像三聚氰胺一樣“出名”了。2008年毒奶粉事件讓三聚氰胺一夜之間臭名昭著，以至于眾多企業(yè)為了讓市場(chǎng)接受，在長(zhǎng)達(dá)7年乃至更長(zhǎng)的時(shí)間里，對(duì)“三聚氰胺”這個(gè)名字避而遠(yuǎn)之。

實(shí)際上，三聚氰胺是一種化工產(chǎn)業(yè)原料，具有耐高溫、阻燃、防濺、防熱幅射等特點(diǎn)，通常作為阻燃材料被廣泛應(yīng)用于耐火、防火織物，濾材，衣著面料，航空和建筑材料等領(lǐng)域。

其實(shí)只要用對(duì)了地方，昔日的“毒奶粉”也能變成“寶貝”。西安交通大學(xué)副教授張垠和西華大學(xué)副教授韓銳合作研發(fā)的“三聚氰胺輔助法生長(zhǎng)高性能碳納米材料”，讓三聚氰胺在新的位置上，發(fā)揮了更高的應(yīng)用價(jià)值，不僅能夠增加電池負(fù)極材料性能，還有望在紡織業(yè)等制造業(yè)領(lǐng)域“大顯身手”。

實(shí)現(xiàn)碳納米管在碳纖維上三維生長(zhǎng)

“這源于一次偶然的實(shí)驗(yàn)。”談起研發(fā)初衷，張垠陷入回憶。幾年前，張垠和他的團(tuán)隊(duì)參加了浙江省關(guān)于“石墨和硅”的研究，結(jié)題后留下許多開(kāi)放性問(wèn)題，開(kāi)發(fā)電池負(fù)極材料便是其中之一。

利用靜電紡絲技術(shù)制備的碳納米纖維材料是一種“柔軟”的框架材料，具有提高電極電容量和耐用性能的作用，這也是張垠團(tuán)隊(duì)最初設(shè)想的理想負(fù)極材料。在之后的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，考慮到碳納米管良好的力學(xué)性能和導(dǎo)電性，團(tuán)隊(duì)“突發(fā)奇想”，能不能在靜電紡絲上生長(zhǎng)一些碳納米管，進(jìn)一步提高負(fù)極材料性能。

在查閱大量文獻(xiàn)后，張垠發(fā)現(xiàn)，常用的制備方法所使用的碳源為甲烷、乙炔，成本高能源消耗大。“三聚氰胺成本低，含碳量相對(duì)比較豐富，我們就想做一個(gè)嘗試，沒(méi)想到成功了。”

張垠團(tuán)隊(duì)利用靜電紡絲所制備的納米纖維為碳基體，與一定量的三聚氰胺在不同溫度下進(jìn)行共燒保溫處理，通過(guò)鐵、鈷等催化劑的添加，以及鋁的保護(hù)氛圍，最終獲得了具有高摻雜度和優(yōu)異性能的碳納米管-纖維復(fù)合材料。研究表明，處理后的碳納米管均勻地生長(zhǎng)在了碳纖維表面，形成了復(fù)雜的多孔三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而該方法被張垠和韓銳命名為“三聚氰胺輔助法”。

與傳統(tǒng)的一維碳納米管相比，三聚氰胺輔助法制備的碳納米管可在納米纖維表面三維生長(zhǎng)，這意味著其具有更優(yōu)異的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能。“因?yàn)樗窃谥魃L(zhǎng)方向的側(cè)向同時(shí)發(fā)生了生長(zhǎng)，比如原本只是在x軸方向排列生長(zhǎng)，現(xiàn)在y軸、z軸也有一些復(fù)生生長(zhǎng)，那我們的導(dǎo)熱和導(dǎo)電也能夠從三個(gè)方向上同時(shí)進(jìn)行。”韓銳解釋道。

此外，三聚氰胺輔助法制備碳納米管具有一定的普適性，它可以在不同材料、不同物質(zhì)形狀上實(shí)現(xiàn)碳納米管的生長(zhǎng)。“以前可能沒(méi)有辦法在一些固定的原料上生長(zhǎng)碳納米管，但通過(guò)這個(gè)方法，我們先把碳纖維加進(jìn)去，碳納米管就能夠在這個(gè)材料上進(jìn)行生長(zhǎng)了。”張垠說(shuō)，用三聚氰胺輔助法制備的碳納米管，是在碳纖維材料表面進(jìn)行原位均勻生長(zhǎng)的，因此這突破了相對(duì)固定的應(yīng)用限制，具有更多可能性。

在多個(gè)領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景

“這個(gè)‘未來(lái)’的材料應(yīng)用面非常廣闊。”當(dāng)聊到這一科技成果時(shí)，張垠侃侃而談，對(duì)未來(lái)的發(fā)展充滿(mǎn)了信心。

目前，張垠和韓銳已經(jīng)在電池領(lǐng)域的應(yīng)用上取得了實(shí)驗(yàn)成功。根據(jù)數(shù)據(jù)測(cè)試顯示，以三聚氰胺輔助法制備的碳納米材料，可以將電池的循環(huán)和倍率性能提升30%～50%。

“電池在放電的過(guò)程中，負(fù)極材料或者正極材料，有一個(gè)膨脹效應(yīng)，即電池在運(yùn)作供電的時(shí)候，電離子進(jìn)入后會(huì)發(fā)生膨脹，流出后又會(huì)發(fā)生收縮，時(shí)間久了后，膨脹或者收縮對(duì)材料的影響就會(huì)變成不可逆，而體積的不可逆是電池每次循環(huán)容量減少的主要原因之一。”張垠說(shuō)，他們合作制備的電池負(fù)極材料，質(zhì)地更柔軟，具備良好的力學(xué)性能，可以延緩不可逆的發(fā)生。“比如一個(gè)電池的容量是1000毫安時(shí)每克，發(fā)生幾次循環(huán)后，就降到800、600，但加入我們新制備的碳納米復(fù)合材料后，就能夠維持在800，相當(dāng)于減緩了下降的速率，電池的使用時(shí)間就可以獲得延長(zhǎng)。”

據(jù)了解，目前已有電池領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)和張垠、韓銳取得聯(lián)系，正在準(zhǔn)備洽談合作事宜。此外，也有紡織企業(yè)聯(lián)系到他們，希望他們能夠幫其實(shí)現(xiàn)衣物的智能化。

三聚氰胺法制備的碳納米材料，除具備優(yōu)異的力學(xué)性能、導(dǎo)電性外，還具有保溫隔熱的作用。紡織企業(yè)聯(lián)系到張垠和韓銳，希望他們能夠在衣服里加入這個(gè)材料，看能否制作出一些新型的具有傳感性能的智能衣服。對(duì)此，張垠表示雖然目前還沒(méi)有做出特別好的樣本，但已取得了一些突破，從理論上來(lái)說(shuō)是完全可行的。

要實(shí)現(xiàn)衣服智能化，就需要在衣服上進(jìn)行布線(xiàn)，支持電流流動(dòng)。張垠認(rèn)為，他們可以通過(guò)控制碳納米管定向生長(zhǎng)，從而根據(jù)需要，提高衣服某一處的導(dǎo)電性，實(shí)現(xiàn)衣服的智能感知、溫度顯示、溫度調(diào)節(jié)等作用。盡管目前張垠和韓銳針對(duì)該領(lǐng)域的應(yīng)用還處于探索階段，但他們已胸有成竹。

不只是電池、紡織業(yè)，張垠表示，未來(lái)的市場(chǎng)是巨大的，儲(chǔ)能、環(huán)保、催化以及一些碳支持材料等領(lǐng)域也將有所涉及。“我們可以根據(jù)具體的應(yīng)用來(lái)設(shè)計(jì)材料，應(yīng)用的領(lǐng)域?qū)?huì)更廣闊。”

張垠和韓銳表示，接下來(lái)將繼續(xù)推進(jìn)和企業(yè)的洽談工作，推動(dòng)成果轉(zhuǎn)化，同時(shí)也將繼續(xù)擴(kuò)展 “三聚氰胺輔助法生長(zhǎng)高性能碳納米材料”的應(yīng)用價(jià)值，最終實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。

目前，“三聚氰胺輔助法生長(zhǎng)高性能碳納米材料”已在“天府科技云”平臺(tái)“拋售”，“科服保姆”也幫其對(duì)接了相關(guān)領(lǐng)域企業(yè)以促進(jìn)雙方合作。張垠和韓銳希望能夠以此次“科創(chuàng)會(huì)”為契機(jī)，進(jìn)一步提高項(xiàng)目關(guān)注度，加強(qiáng)和企業(yè)交流溝通，讓成果從實(shí)驗(yàn)室成功走向生產(chǎn)線(xiàn)，讓科技成果的應(yīng)用價(jià)值實(shí)現(xiàn)最大化。