Advanced Science：由缺陷石墨納米片組成的高效氧還原反應超結構大孔碳棒

第一作者：Jing Wang

通訊作者：Chao Liu，Chengzhong Yu

通訊單位：華東師范大學

DOI：https://doi.org/10.1002/advs.202100120

背景

不同形貌的碳納米材料因其豐富、低成本、高電導率和結構可調等物理化學性質而受到廣泛關注。在不同的碳結構中，由納米管、納米纖維、納米顆粒和納米薄片等簡單構件組裝而成的三維碳超結構因其在能源和環境方面的優異性能而受到越來越多的關注。設計合理、具有超微結構的碳材料在電催化等領域具有廣闊的應用前景。然而，從簡單的晶體固體合成具有大孔和碳缺陷的高孔碳超結構仍然具有挑戰性。

研究的問題

本文以結晶聚單寧酸(PTA)棒為前驅體，采用直接碳化法合成了由缺陷石墨納米片組成的超結構大孔碳棒。在碳化過程中，具有高度有序的片層結構的PTA棒誘導空間受限的兩步局域收縮效應在每一步中均會發生在不同的尺寸和方向上。意外的收縮行為導致海綿狀大孔碳超結構具有大的比表面積、高的孔隙率和豐富的缺陷，從而顯示出對氧還原反應具有高活性和高選擇性的優異的電催化性能。該研究為具有獨特結構和應用的功能碳材料的設計提供了新的認識。

圖1.a，b)SEM和c)PTA的TEM圖像，d-f)SEM和g-i)PTA-1000的TEM圖像。刻度條是a)10μm，b，g)1μm，c)2μm，d)5μm，e)500 nm，f)200 nm，h)50 nm，i)和5 nm。

圖2.a)比表面積和孔體積，b)X射線衍射光譜，c)拉曼光譜，d)ID/IG和C-C/C═C比率，以及e)高分辨率XPS光譜。

圖3.a)XRD圖譜，b)TA和PTA的TGA曲線，以及c)PTA-250和d)PTA-450的SEM圖像。e-h)PTA-100、PTA-250、PTA-350和PTA-450的原位TEM圖像。

圖4.圖a：PTA1000在O₂或N₂飽和的0.1 M KOH溶液中的循環伏安曲線,掃描速率為5 mV s^?1。

圖b：在1600rpm氧飽和的0.1 M KOH溶液中，PTA-800、900、1000、1100、TA-1000和Pt/C的旋轉環盤電極(RRDE)伏安曲線。

圖c：PTA-1000在氧飽和0.1 M KOH溶液中不同轉速下的線性掃描伏安(LSV)曲線。

圖d：根據(c)中的LSV曲線繪制了PTA-1000在不同電位下的Koutecky-Levich曲線。

圖e：由K-L方程計算出不同電位下的電子轉移數(n)。

圖f：塔菲爾曲線。

圖g：PTA-1000和商用Pt/C在不同電位下的過氧化物含量(實線)和電子轉移數(n)(虛線)。

圖h：PTA-1000和Pt/C的電流-時間計時安培耐久性試驗。

圖i：在1600rpm的轉速下，PTA-1000和Pt/C在氧氣飽和的0.1 M KOH溶液(0-500s)和氧氣飽和的0.1M KOH-甲醇溶液(500-2000s)中的電流-時間響應。

結語

綜上所述，本文報道了以結晶聚單寧酸(PTA)棒為前驅體，通過直接碳化法合成由缺陷石墨碳納米片組成的超結構大孔碳棒。在炭化過程中，具有高度有序的片層結構的PTA棒引發了空間受限的兩步局域收縮，形成了具有大比表面積、高孔隙率和豐富缺陷的海綿狀大孔碳超結構。由于這些結構上的優點，所得到的缺陷微孔碳超結構對氧還原反應表現出優異的電催化性能、高活性和穩定的穩定性。本文的工作為合成具有獨特結構和應用于電催化等領域的大孔碳超結構提供了一條新的途徑。

本文由SSC供稿。