煤基零维纳米碳材料的合成、性能及其在能源转换和存储应用中的研究进展

煤是自然界中分布最广、储量最丰富的含碳资源,其分子结构与纳米碳材料具有天然的相似性,是优质的纳米碳材料前体。多年来,以煤为前体制备的各种纳米碳材料已被广泛应用于能源、信息、环境和生物医学等领域。其中,煤基零维纳米碳材料如纳米金刚石、富勒烯、碳纳米洋葱、碳点等,因其具有小的纳米尺寸、大的比表面积、独特的球形结构等,表现出优异的荧光特性、电化学性能以及催化性能等,在能源转化和存储等领域展现出极大的应用潜力。本文综述了基于煤炭及其衍生物为前驱体的各类零维纳米碳材料的制备方法和性能,并对其在照明显示、电化学储能、光/电催化等方面的应用进展进行总结,指出目前存在的问题与挑战及其解决策略,最后对其未来发展进行了展望。这为促进煤炭的高附加值转化和利用以及大规模制备煤基零维纳米碳材料提供理论和实践支持。     

功能化碳微球能级的电化学表征

分别采用水热法和化学气相沉积（CVD）法,制备两种同粒径（约360 nm）的碳微球（CMSs）,对CVD法制备的CMSs （CCMSs）用混酸溶液（浓硫酸：浓硝酸=3：1）进行酸化处理,在其表面引入含氧官能团,而水热法制备的CMSs（HCMSs）不作处理;然后在N,N'-二环己基碳二亚胺的作用下,用1,6-己二胺分别修饰两种CMSs。通过场发射扫描电子显微镜和傅里叶红外光谱仪对产物的形貌和结构进行表征分析,采用热重分析仪和电化学工作站对产物的热稳定性和能级结构进行表征分析,并用荧光分析仪对产物的光学性能进行表征分析。结果表明：两种CMSs都满足作为聚合物太阳能电池受体材料的能级要求,且胺化修饰可以提高CMSs的LUMO能级;HCMSs在形貌、溶剂中的分散性以及热稳定性等方面都优于CCMSs,比CCMSs更适合作聚合物太阳能电池的受体材料。     

功能化碳微球能级的电化学表征

分别采用水热法和化学气相沉积(CVD)法,制备两种同粒径(约360 nm)的碳微球(CMSs),对CVD法制备的CMSs(CCMSs)用混酸溶液(浓硫酸:浓硝酸=3:1)进行酸化处理,在其表面引入含氧官能团,而水热法制备的CMSs(HCMSs)不作处理;然后在N,N′-二环己基碳二亚胺的作用下,用1,6-己二胺分别修饰两种CMSs。通过场发射扫描电子显微镜和傅里叶红外光谱仪对产物的形貌和结构进行表征分析,采用热重分析仪和电化学工作站对产物的热稳定性和能级结构进行表征分析,并用荧光分析仪对产物的光学性能进行表征分析。结果表明:两种CMSs都满足作为聚合物太阳能电池受体材料的能级要求,且胺化修饰可以提高CMSs的LUMO能级;HCMSs在形貌、溶剂中的分散性以及热稳定性等方面都优于CCMSs,比CCMSs更适合作聚合物太阳能电池的受体材料。     

原位制备聚3-己基噻吩和纳米碳双层异质结构

采用射频等离子体方法处理聚3-己基噻吩(P3HT)薄膜,使P3HT原位形成由碳膜和P3HT组成的双层异质结构型.采用场发射扫描电子显微镜、紫外可见光分光光度计和薄膜X射线衍射仪对产物进行形貌和结构的表征与分析.结果表明:经等离子体处理后,P3HT薄膜的表层出现明显的炭化现象,形成一层致密的碳纳米颗粒组成的碳膜;可以通过调节射频电压调整P3HT薄膜的表层炭化程度,以优化复合膜的性能;等离子处理后,P3HT膜结晶度提高,复合膜光吸收增强.此P3HT/纳米碳层的双层异质复合膜有望用作聚合物太阳能电池的光敏活性层.