中科大宋禮和朱彥武Adv Mater綜述：面向高效能源應用的納米碳結構調控

鋼鐵俠 5年前 (2018-08-30) 4409瀏覽

【引言】

推進清潔可再生能源的廣泛利用是解決當下能源枯竭和環境惡化問題的有效途徑，其中涉及電化學過程的存儲與轉換裝置有著十分重要的地位。納米碳材料由于其構型豐富（具有sp，sp²以及sp³雜化形式）、導電/導熱性能突出、機械性能良好、比表面積大等優勢被廣泛用作這些裝置的電極/催化材料。為了更進一步地提升器件性能，近年來研究人員結合納米碳材料表面性質易于調控的特點發展了以下幾種調控策略：（1）本征缺陷調控以期暴露更多的活性位點；（2）異質原子摻雜以期改變納米碳材料的局域電子結構；（3）納米顆粒-碳基底間的強耦合作用以期加快電子轉移和防止顆粒團聚；（4）微觀結構調控（優化孔結構分布和多維度納米碳材料復合）以期促進離子遷移和電子轉移。

近日，中國科學技術大學宋禮教授課題組和朱彥武教授課題組在Adv. Mater.上發表題為“Tailoring the Structure of Carbon Nanomaterials toward?High-End Energy Applications”的綜述文章。立足于納米碳材料在電催化和超級電容器領域的應用，全面總結了基于上述四種調控策略裁剪納米碳材料結構優化器件裝置性能的最新進展，囊括了所涉及的納米碳材料的合成表征、性能評估和構效關系建立等。針對其在能源應用過程中面臨的一些挑戰和結構裁剪策略中所存在的一些問題，作者進行了詳細的討論并給出了一些可行的改進方案。最后，作者指出利用目前一些先進的表征手段（例如X-射線精細結構吸收譜、球差校正透射電子顯微鏡等）精細識別納米碳材料的結構特征，為后續構建可靠性高的結構模型和實施理論模擬提供更多有效的信息，有助于建立更為清晰的納米碳材料的構效關系。同時，近年來逐步發展起來的一些動態原位表征方法能夠實時監測納米碳材料在電化學反應過程中發生的結構演變，也成為了理解納米碳材料構效關系和指導高效能源儲存與轉換系統理性設計中不可或缺的一環。

【圖文導讀】

圖1.本征缺陷調控的策略（Phys. Rev. Lett. 2011, 106, 105505.; Adv. Mater. 2016, 28, 9532.; Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2014, 53, 10804.; ACS Catal. 2015, 5, 6707.; Adv. Mater. 2016, 28, 7185.）

含有本征缺陷（拓撲缺陷和邊緣缺陷）的納米碳材料相比于完美晶體在Fermi能級附近擁有更多的電子態密度，或者產生自旋電子促進反應活性。本征缺陷為更好地調控納米碳材料的電子結構，定量分析缺陷-性能的關系提供了一個非常好的途徑。

圖2.異質原子摻雜的策略（Science 2016, 351, 361.; Sci. Adv. 2016, 2, e1501122.; Science?2015, 350, 1508.; Chem 2018, 4, 285.; Nat. Commun. 2016, 7, 10922.）

異質原子摻雜調控策略主要是非碳原子進入納米碳材料的晶格中由于電負性間的差異而引起電荷重新分布，可能激發摻雜位點或者其周圍碳原子的化學活性，從而達到提升材料性能的目的。此部分主要講述了非金屬原子摻雜納米碳材料和單金屬原子摻雜納米碳材料的最新進展。

圖3. 增強納米碳載體異質結耦合效應的策略（Nat. Commun. 2014, 5, 3783.; Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2013, 52, 371.; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 9443.）

類似的，納米碳材料與其他納米材料間化學勢的差異會引起電荷的定向轉移，導致電子結構和局部功函數的變化。增強它們之間的相互作用能夠有效降低電化學過程中的能壘提升材料性能。此部分對納米碳材料異質結的形式和有效表征手段進行了重點表述。

圖4.微觀結構調控（Nat. Energy 2016, 1, 16070.; Science 2011, 332, 1537.; Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 555.; Nat. Commun. 2014, 5, 4973.; Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2017, 56, 10840.）