低维碳纳米材料具有出色的机械、电子、光学和热学性质，在环境、能源、电子和医疗保健领域有巨大应用价值。碳纳米级构建块体系主要包含零维（0D）纳米点、一维（1D）纳米管、二维（2D）石墨烯及其衍生物。目前，已报道的原位生长、自组装等技术从其孤立的嵌段中构建块状碳纳米材料。然而，当组装成块状材料时，独特的纳米级性能会消失或受到很大损害。现有的碳纤维纳米材料主要取决于1D碳纳米管和电纺纳米纤维的沉积，其中纳米管的连续性较差（长度<100 μm）；对于纳米纤维，不可避免的出现伪米直径>200 nm或200 μm。此外，它们都组装成没有内部连接的随机沉积无纺布，而不是有组织的网络，极大的降低其性能。因此，在不损害其纳米级性能的情况下，构建连续、2D网络结构、宏观尺寸的碳纳米材料显得尤为重要。
近日，东华大学的丁彬教授（通讯作者）等人报道了一种基于电喷雾/网状结构的简便方法，可以大规模的产生具有良好互连的纳米级纤维（直径约15 nm）的自组装2D碳纳米结构网络（N-nets）。通过控制泰勒锥（Taylor cone）不稳定性和微电场来控制带电液滴的动态喷射、变形和聚集，构建的N-nets不仅具有1D碳纳米管的纳米级直径，而且还具有2D石墨烯的横向无穷大的特征。利用这些碳N-nets作为创新的构建基块，作者组装了具有纳米级性能、高柔性（1050 MPa，比餐巾还柔软）、高电导率（920 S cm-1）的纳米级（米级）碳纳米材料。其中，宏观（米级）碳纳米结构网络在过滤器、分离器、吸收剂和可穿戴设备等领域中显示出非凡的纳米结构特性、出色的柔性、纳米级电导率以及出色的性能。总之，该工作将使高性能、多功能的碳纳米材料在各种应用领域的创新设计成为可能。
碳N-nets的组装和架构
作者利用该电喷涂/网技术自组装形成2D纳米结构网络（N-nets）。通过透射电子显微镜（TEM）发现，碳N-nets既有类似于1D碳纳米管的纳米级直径特征，又有2D石墨烯的侧向结构特征。扫描电子显微镜（SEM）发现，碳N-nets具有2D拓扑网络结构。经过氧化和煅烧后，保留了2D N-nets结构，起纤维直径减小到5-25 nm，达到1D碳纳米管的直径。同时，碳N-nets具有分层纳米结构，是一种自支撑碳膜（厚约62 μm）。作者制备了尺寸为65×25cm2的碳N-nets膜。碳N-nets膜具有强大的机械强度、出色的柔软性，并且可以折叠和弯曲而没有任何损坏。
图1 碳N-nets的加工、架构和样品
碳N-nets的合成与纳米结构
作者利用电喷雾/网技术，通过操纵集电体的表面形貌和电导率，构建了聚合物N-nets。随着PAN纤维的沉积（从S-4到S-1）增加，其孔径从3.2 μm减小到0.7 μm，而介电常数从1.25增大到2.6。通过组装模型发现，使用S-3收集器，电荷密度和液滴阈值之间的间隙最大（10.4 c kg-1），表明液滴形成的可能性最高/速度最高。在S-3收集器上产生了更多的纳米结构，即珠状纳米纤维网络。在其PAN前体碳化后，所有基于碳的纳米结构都保留了其结构特征。其中，碳N-nets的Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面积（790 m2 g-1）和孔隙率（99.92％）。2D N-nets膜具有的孔径极小，为230-320 nm，同时厚度小于100 nm。
图2 碳N-nets的合成和纳米结构性质
碳N-nets的性质
单层的自支撑碳N-nets表现出1050 MPa的拉伸强度，应变约为25％，表明存在两种不同的变形形式。同时，碳N-nets的弯曲刚度为8.5 mN，表明碳N-nets具有柔软的聚合物机械性能和硬的无机基质。碳N-nets的弯曲刚度比薄纸的抗弯刚度（28.5 mN）小，表明柔软性极好。此外，自支撑碳N-nets可以用作宏观石墨烯片（>米级）。其中，石墨化碳N-nets表现出高电导率（920 S cm-1），是CNF块（1-130 S cm-1）和CNT块（15-85 S cm-1）的5倍以上。碳N-nets在经过10,000次完全折叠角为180o的疲劳试验后，其电导率仍约900 S cm-1而弯曲刚度为8.8 mN，显示出优异的抗疲劳性，表明在柔性的超复合材料中应用前景广阔。
图3 碳N-nets的性能
碳N-nets的多功能性
将超薄碳N-nets用作N100面罩的过滤器衬套，不仅可以过滤PM2.5，而且还可以最有效地去除PM0.3（PM浓度为300000-500000）。在压力为15 Pa时，具有45 mg m-2的碳N-nets过滤器对PM0.3去除效率为99.533％、PM2.5去除率为99.925％。当压力为65 Pa时，碳N-nets过滤器对PM0.3去除率为99.992％、PM2.5去除率为99.999％。利用碳N-nets进行水处理时，仅靠重力驱动，碳N-nets膜（320 mg m-2）的排阻效率>99.90％，渗透通量为3200 l m-2 h-1，比具有相似效率水平的微滤和超滤膜的通量高出10倍以上。碳N-nets也可以用作吸附有机污染物的吸附剂。一小片N-nets膜（3 mg）可在20 min内吸附大部分亚甲基蓝，并在45 min内达到99.95％。
图4 碳N-nets实际应用时的性能
总之，作者提出了一种新型的自组装策略，即通过独特的电喷涂/网技术可对具有2D网络结构的碳N-nets进行可扩展的合成。实验结果表明，这些碳N-nets具有超强机械柔性、独特的表面润湿性和优异的导电性等优异性能。此外，碳N-nets在空气过滤、液体分离、染料吸收和电化学应用等应用中表现出优异的性能。该工作构建的碳纳米材料将在环境、能源、电子、催化等领域有巨大的应用价值。
Multi-functional flexible 2D carbon nanostructured networks（Nature Communications, 2020,DOI: 10.1038/s41467-020-18977-6）
免责声明：以上内容转自微算云平台。仅代表作者个人观点，不代表新威研选立场。
