ACS Nano:Tunable Hybridized Morphologies Obtained through Flash Joule Heating of Carbon Nanotubes.pdf

一、亮点/创新点

本篇文献的亮点和创新点主要包括：

（1）使用闪蒸焦耳加热（Flash Joule Heating, FJH）技术，实现了碳纳米管（CNTs）到石墨烯（Graphene）及其混合形态的高效、无溶剂和无气体转化。

（2）通过调节脉冲时间，实现了材料形态比例的可调控，从而优化了材料的机械和电学性质。

（3）利用这种方法合成的复合材料，在环氧树脂基复合材料中表现出显著的增强效果，硬度和杨氏模量分别提高了162%和64%。

（4）这项技术为碳基纳米材料的大规模应用和环境友好型合成提供了新的途径。

二、研究背景

本篇文献的研究背景可以概括如下：

（1）碳纳米管（CNT）被转化为石墨烯纳米带（GNR）后，因其共价键合和π-π堆叠领域的特性，展现出有趣的机械和电学性能，适用于多种应用场景，尤其是作为导电填料，在低负荷下允许渗透，因为它们具有高的长径比和导电性。其他应用包括电催化、电池和纳米尺度设备。

（2）这些独特形态的合成依赖于苛刻的氧化、还原方法、自组装以及化学气相沉积等技术，这些方法的高能耗限制了它们在更大规模上的使用。其他技术通过机械碰撞高速冲击来解开CNT。

（3）通过这些解开机制，可以形成由CNT、GNR和石墨烯以不同组合形成的混合材料。这些材料将每种形态的属性结合成单一材料。例如，CNT和GNR的结合在两种形态的接合处产生机械互锁，从而改善材料的机械性能和其能量散布能力。CNT整合进石墨烯中显著增强了石墨烯的韧性。已经展示了包含各种碳形态的混合材料用于复合材料、能量存储和场发射发射器的使用。

三、研究方法

本篇文献的研究方法主要包括以下步骤：

（1）材料准备：使用从Meijo购买的单壁碳纳米管（SWCNT）作为原料，以及从Millipore-Sigma获得的环氧树脂（DER 736）、15-二氨基-2-甲基戊烷（Dytek A）和Pluronic F-127作为接收材料。

（2）闪蒸焦耳加热（FJH）处理：对SWCNT进行FJH处理，使用200 V的脉冲电压，脉冲时间在25至2000毫秒之间变化，每次FJH反应使用15 mg SWCNT。通过#60筛分离得到的FJH CNTs，小于这个尺寸的被视为粉末材料，而大于这个尺寸的被视为纤维材料。

（3）拉曼光谱分析：使用带有532 nm激光的Renishaw inVia共聚焦拉曼显微镜收集拉曼光谱，使用5 mW的激光功率和50×目镜在1300至2800 cm^−1范围内扫描材料。通过自定义Python脚本和MATLAB脚本分析拉曼光谱数据，定量评估图案产率和峰值比率。

（4）透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）分析：将样品在乙醇中稀释后超声处理并滴铸在铜网上，使用JEOL 2100F场发射枪TEM和FEI Helios NanoLab 660 DualBeam SEM系统进行成像。

（5）复合材料制备：将环氧树脂与固化剂和FJH SWCNT、SWCNT或商用石墨烯（CG）混合，经过搅拌、超声处理和高剪切混合后，在真空中脱气，然后在70°C下固化2小时，随后室温固化过夜。

（6）纳米压痕测试（Triboindentation）：使用Hysitron TI 980 Triboindenter装备的Berkovich尖端进行纳米压痕测试，计算材料的压痕模量和硬度。

（7）扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）分析：对粉末和纤维材料进行铜蚀刻处理以去除多余的铜（来自FJH铜电极），然后使用FEI Titan Themis在不同放大倍率下进行成像。

（8）紫外-可见光谱（UV-Vis Spectroscopy）分析：使用Shimadzu UV-3600 Plus紫外-可见分光光度计收集FJH产品的悬浮液光谱，通过浴式超声处理得到分散液，然后进行稀释和吸光度测量。

（9）电性能测试：使用银浆涂覆在复合材料的顶部和底部作为电极，使用Agilent B1500A半导体分析仪记录电流，并据此计算电阻和电阻率。

（10）温度测量：通过测量FJH过程中发射的黑体光谱来测量样品温度，使用Thorlabs的光学设备收集光谱，通过自定义电路板放大光电流产生的电压，然后使用National Instruments USB-6210数据采集装置。

四、研究结果和主要结论

本篇文献的研究结果和主要结论如下：

（1）研究结果：通过对单壁碳纳米管（SWCNT）进行闪蒸焦耳加热（FJH），成功地将其迅速且经济地转化为闪电石墨烯（FG）、交联石墨烯纳米带（GNR）以及包含这两种形态的混合材料。这些形态通过拉曼光谱和电子显微镜确认，其作为环氧复合材料中的增强添加剂的效果得到了进一步证明。此技术有望实现GNR/石墨烯共价复合材料混合物的大规模制备，从而使其能在更广泛的应用范围内使用。

（2）主要结论：通过不同的脉冲时间处理SWCNT，并使用#60筛将其分离成粉末状和纤维状两部分。拉曼和电子显微镜分析表明，随着脉冲时间的增加，粉末材料与纤维材料的比例开始增加，这对应于原始碳纳米管数量的减少和GNR含量的增加。此外，粉末部分显示FG形态，在延长的脉冲时间（1000至2000毫秒）下成为主导形态。在纤维部分，原始的SWCNT是主导形态，同时含有较低比例的GNR。这项技术通过改变脉冲时间，提供了对样品中不同碳形态的可调控制。这些不同形态的材料随后可以通过筛分分离，得到一系列材料，包括原始SWCNT、解链的SWCNT（即GNR）和FG。最终，这些材料可作为增强添加剂，用于提高环氧复合材料的机械性能。通过添加1%的粉末材料，杨氏模量和硬度分别可增加64%和162%。通过添加1%的纤维材料，杨氏模量和硬度也分别可以增加42%和88%。这些结果证明了闪蒸焦耳加热可以经济地将原始CNT转化为CNT/石墨烯的混合网络，有效地增强环氧复合材料。

五、后续研究改进

根据文中的研究内容和结果，可以推测一些可能的后续研究改进点：

（1）材料性能的进一步优化：虽然通过闪蒸焦耳加热技术已经成功合成了具有优异机械性能的碳纳米管/石墨烯复合材料，但仍有可能通过优化合成条件（如脉冲时间、电压等）进一步改善材料的电学和热学性能。

（2）更广泛的应用探索：研究中提到的复合材料在环氧树脂基复合材料中表现出显著的性能提升，未来可以探索将这些材料应用于更多领域，如电池、超级电容器、柔性电子设备等。

（3）大规模生产方法的开发：虽然闪蒸焦耳加热提供了一种相对经济的方法来生产碳基纳米材料，但为了满足工业应用的需求，需要开发更高效、可控且适于大规模生产的技术。

（4）复合材料界面性能的研究：研究中提到通过调节脉冲时间可以调控碳纳米管和石墨烯之间的界面性能，后续研究可以深入探索界面作用机制，以及如何通过界面工程进一步提升复合材料的性能。

（5）环境影响和可持续性分析：随着材料科学向可持续发展转型，研究材料的环境影响成为一个重要方向。未来的研究可以考虑评估这些材料的生命周期影响，探索更环保的合成方法和应用。

（6）理论模型和模拟研究：通过建立详细的理论模型和进行计算模拟，可以更深入理解材料形态转变的机制，为材料设计和性能预测提供理论支持。

这些改进方向不仅有助于深入理解碳纳米管/石墨烯复合材料的性质，还能推动其在更广泛领域的应用。