仅用烧杯和碳纳米环就能制作出二维碳纳米片

新技术 2018年07月17日
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日本物质材料研究机构与名古屋大学和东京大学共同开发出了合成碳纳米片的简易方法,碳纳米片作为具备高导电性和催化功能的新型电子材料备受期待。只需向烧杯中倒入水,在搅拌形成漩涡的水面放入环状碳分子——碳纳米环,然后转印到基板上并进行烧制就能合成碳纳米片。此法无需使用昂贵的设备和高级技术,有望被应用于光伏电池、燃料电池催化膜、触摸面板等用途。

研发小组使注入水的烧杯中形成漩涡,在水面上漂浮环状碳分子——碳纳米环,然后将其转印到基板上,利用这种简单的方法,制作了均匀且具备大量数十纳米孔径小孔的介孔薄膜。然后烧制该薄膜,在保持介孔结构的状态下,成功获得了碳纳米片(图1)。

碳纳米片

图1:合成采用碳纳米环的碳纳米片

此次的研究成果已于2018年7月6日刊登在杂志《Angewandte Chemie International Edition》的在线速报版上。

<研究内容和成果>

研发小组向烧杯中注入水,搅拌形成漩涡,然后在水面放入环状碳分子——碳纳米环,静置一段时间后会通过自组织形成薄膜,然后将薄膜转印到基板上(图2)。由此,成功获得了厚度不到10纳米、面积为1000平方微米的均匀分子薄膜(图3)。该研究的制作方法仅利用普通实验室中使用的烧杯和搅拌装置即可再现,非常简单。另外,制作1平方米纳米片所需的碳纳米环只有1纳克,非常少。

碳纳米片

图2:本研究使用的碳纳米环的化学结构及分子薄膜的制作方法

碳纳米片

图3:碳纳米环分子薄膜的原子能显微镜图像(a、b)和透射电子显微镜图像(c)

有趣的是,由该碳纳米环构成的分子薄膜具备无数个孔径为数十纳米的孔(介孔),烧制碳化后,获得的碳纳米片依然保持这种介孔结构(图4)。烧制前的纳米片是不通电的绝缘体,烧制形成碳纳米片后,则成了导电体。也就是说,通过烧制,碳相互结合,形成了具备坚固网络的碳纳米片。在保持纳米结构的情况下碳化的例子比较罕见,采用碳纳米环这种小分子的实例更是前所未有。

碳纳米片

图4:碳纳米片的透射电子显微镜图像(a)和原子能显微镜图像(b)及导电特性

另外,研发小组采用相同的方法,利用在碳纳米环中添加了含氮吡啶的物质,制作了均匀的分子薄膜。然后经过烧制,获得了含氮的碳纳米片(图5)。通过X射线光电子能谱法(XPS)检测发现,该碳纳米片中所含的氮呈电子状态,显示出催化活性。

碳纳米片

图5:含氮碳纳米片的原子能显微镜图像(左)和X射线光电子能谱

文 客观日本编辑部

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