文章信息
缺陷石墨化纳米片构筑大孔超结构碳材料用于高效电催化氧还原反应
第一作者：王晶
通讯作者：刘超*，余承忠*
单位：华东师范大学，南京理工大学，昆士兰大学
研究背景
在众多纳米碳基材料中，由低维单元（如纳米片、纳米棒、纳米管等）组装而成的三维超结构具有传质、电子传递及活性位点易暴露等方面的优势，因而在电催化等领域受到广泛的关注。在纳米碳基材料中引入缺陷也是调控其电子结构，进而增强电催化活性的有效途径。
因此，同时调控纳米和原子结构，制备兼具三维超结构和丰富缺陷的碳材料有望将两者优势有机统一，进一步提升性能。设计合成此类材料具有重要的理论和应用价值，亟需开拓新的合成策略。
文章简介
基于此，来自华东师范大学的刘超研究员和余承忠教授，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Superstructured Macroporous Carbon Rods Composed of Defective Graphitic Nanosheets for Efficient Oxygen Reduction Reaction”的观点文章。
该文章以自组装的聚单宁酸棒分子晶体为前驱体，利用其碳化过程中独特的空间限域两步局部收缩，制备了由缺陷石墨化纳米片组装而成的大孔超结构碳棒。该碳基材料具有优异的氧还原电催化性能。
图1.空间限域两步局部收缩策略制备缺陷碳大孔超结构的示意图。
本文要点
要点一：空间限域两步局部收缩策略实现大孔超结构和碳缺陷的同步构筑
设计了一种具有高有序层状结构的聚单宁酸棒作为新型碳前驱体。利用碳化过程中聚单宁酸分子层间π-π作用和棒状形貌的限制作用，实现了空间限域的两步局部收缩行为。
初始低温和后续高温阶段的两步收缩分别发生在不同的维度和方向，进而合成了具有棒状形貌、由具有丰富缺陷的卷曲碳纳米片组装而成的大孔超结构碳材料。
本文提出了空间限域两步局部收缩策略，可实现通过简单实心结构的分子晶体前驱体构筑兼具碳缺陷和大孔超结构的碳基材料，该策略为新型碳基材料的结构设计提供了新思路。
图2. (a-c) 聚单宁酸前驱体及 (d-i) 缺陷碳超结构的电镜表征结果。
要点二：不同温度下碳结构的演变过程和碳化机理的深入分析
研究了不同碳化温度（800, 900, 1000, 1100 ℃）对碳材料结构的影响。随着碳化温度的升高，碳材料的缺陷含量先升高后降低，在1000 ℃时达到峰值。在文献报道中，往往碳化温度越高，碳材料石墨化程度越高，缺陷含量越低。
此外，1000 ℃碳化的样品不仅保持超结构，同时具有最高的比表面积和孔容。文章还通过原位透射电镜、质谱、红外光谱、XRD等手段跟踪了碳化过程，进而提出了空间限域两步局部收缩的机制。
图3. 不同温度下碳材料的结构变化: (a) 比表面积和孔容; (b) XRD图谱; (c) Raman谱图; (d) ID/IG及C-C/C=C比例; (e) XPS谱图。
要点三：缺陷碳大孔超结构提升电催化氧还原性能
兼具大孔超结构和丰富缺陷的碳材料在酸碱电解质溶液中均表现出优越的氧还原反应活性、选择性和稳定性。
图4.氧还原性能结果: (a) CV曲线; (b) 不同材料的LSV曲线; (c) 不同转速下的LSV曲线; (d) K-L曲线; (e) 电子转移数; (f) Tafel曲线; (g) 过氧化氢产率和电子转移数; (h) 稳定性测试; (i) 抗甲醇测试。
文章链接
Superstructured Macroporous Carbon Rods Composed of Defective Graphitic Nanosheets for Efficient Oxygen Reduction Reaction
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202100120
原文刊载于【科学材料站】公众号
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