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用纳米微乳液组装法精确调控介孔碳球的孔尺寸和架构
发布时间:2019-09-12 

       介孔碳材料是一种新兴的介孔材料,它除了具有介孔材料通有的高比表面积和孔体积等结构特点之外,还兼具独特性质,如表面属性可调、化学稳定性高、导热导电性好和机械稳定性强等特性,因此在吸附、分离、储能和电化学等领域拥有非常广阔的应用前景。尽管介孔碳纳米球具有如此优异特性和应用前景,但其孔隙大小和架构的精确调控非常困难。特别是大孔(>20 nm)介孔碳球的合成具有巨大的挑战性。人们发展了许多方法想实现这一目标。有代表性的是以大分子量表面活性剂为模板的软模板法(例如PS-b-PS),通过调控表面活性剂疏水段(PS段)的长度来实现大孔碳球的合成。这种方法可以实现孔隙的连续调控,但是表面活性剂的合成过程复杂,而且孔隙调控有限。另外一个有代表性的方法是以SiO2纳米球为模板的硬模板法,通过调控SiO2球的大小以及选择合适的前驱物来实现介孔碳球孔隙的调节。这种方法可以得到大孔的纳米碳球,但是合成过程同样非常复杂,耗时长,而且在后期去除硬模板的过程中应用的强腐蚀性溶液具有危险性,不适合大规模合成。其他的合成方法,例如气泡辅助法,分相法和多表面剂法所得到的碳材料在颗粒尺寸,形貌控制,孔隙均匀性等方面均存在不足。精确调控介孔碳纳米球的孔隙大小和架构,实现大孔介孔碳纳米球的合成至今还未实现,探究普适性制备超大孔介孔碳球的方法显得十分必要。

       近日,赵东元院士团队在JACS上发文,报道了该课题组发展的一种纳米微乳液组装的普适性方法,用于合成具有可调孔径和架构的功能介孔碳纳米球。
       作者以商业化的Pluronic F127为模板,以多巴胺(DA)为碳源和氮源,以1,3,5-三甲苯(TMB)为调节剂,在水和乙醇的体系中合成一系列到具有可调孔径的氮掺杂碳纳米球。在合成的过程中,作者发现有机小分子(TMB)不仅对于孔隙的大小有着重要的作用,而且对于软模板(F127)和前驱物(DA)所形成的界面有巨大的影响。因此,通过调控TMB的用量可以有效控制胶束的组装方式,从而达到调控碳球孔隙和架构的目的,分别得到了光滑碳球,高尔夫形碳球,多空腔形碳球,以及树突形碳球。所合成的碳球的孔隙可以在5-37纳米范围连续调控。其中,树突形碳球具有超大的孔径(~37 nm),较小的粒径(~128 nm),高的比表面积(~635 m2 g-1),和丰富的氮含量(~6.8 wt%)。得益于这些独特的物理化学性能,其在碱性电解液中显示出卓越的氧还原性能(ORR),包括高的电流密度,优异的循环稳定性和抗甲醇性能。这种简单,巧妙的纳米微乳液合成策略对于合成新颖的纳米结构提供了新思路。
       该工作得到了复旦大学化学系、聚合物分子工程国家重点实验室、上海市分子催化与功能材料重点实验室、国家重点研发项目、国家自然科学基金委、上海市科学技术委员会、上海市启明星项目的大力支持。
       论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b02091
 

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