趙東元JACS：新方法制備有序介孔碳用于超靈敏氨氣傳感器

【引言】

由于具有特殊的物理化學性質，納米碳材料已受到相當多的關注。碳納米管、石墨烯等納米碳材料由于具有良好的化學穩定性、熱穩定性和導電性已被證明是氨氣傳感器有潛力的材料，其傳感機制是碳納米結構表面的氣體吸附和電荷交換。作為納米碳材料重要的一種，有序介孔碳（OMCs）具有較高的比表面積和較大的孔容，可為氨氣的相互作用提供巨大的反應界面。OMCs是發展工作溫度低、靈敏度高、響應時間短的高性能氨氣傳感器的有潛力的材料。

【成果簡介】

近期，復旦大學趙東元教授（通訊作者）和鄧勇輝教授（通訊作者）等提出了一種新的靈巧的溶劑揮發誘導膠束聚集與自組裝相結合的方法，成功制備了具有二維（2D）六方介孔結構及獨特屈曲大孔結構的有序介孔碳（OMCs）。它是通過選擇性蒸發含有環氧乙烷-b-聚苯乙烯（PEO-b-PS）嵌段共聚物模板的四氫呋喃溶液（THF/H₂O）中的溶劑四氫呋喃（THF）形成沉淀來實現的。其中，間苯二酚基酚醛樹脂作為碳前驅體，接著在惰性氣氛中對得到的沉淀物進行熱解處理，得到OMCs。得到的OMCs具有獨特的纖維狀形態，其比表面積為571-880 m²/g，孔體積為0.54 cm³/g，大孔孔徑高達36.3nm且具有高密度活性位點。由于具有尺寸大的孔隙、高的表面積和豐富的活性位點，基于OMCs的氣體傳感器在感測NH₃時表現出優異的性能，如工作溫度低且響應速度快（<2min）、檢測限極低（<1ppm）以及選擇性良好。

【圖文導讀】

?圖1：樣品制備流程圖

部分名詞說明（下同）

THF：四氫呋喃，有機溶劑；PEO：聚環氧乙烷，模板嵌段共聚物的一種嵌段；PS：聚苯乙烯，模板嵌段共聚物的一種嵌段。

圖2：熱處理及疏水端PS的長度對樣品的影響

（a）角X射線散射；研究者通過對比600℃熱處理前（i）后（ii）樣品衍射峰強度，發現熱處理后的樣品形成了有序介孔結構。

（b-e）樣品形貌表征；研究者確定了親水端PEO的長度，通過調節疏水端PS的長度，研究了疏水端長度對材料的影響。

圖3：樣品結構及孔徑大小表征

（a-b）（00）、110）方向TEM圖像；分析對應的傅立葉變換衍射圖，可以發現樣品是一種二維對稱結構。

（c）氮氣吸附等溫線；

（d）孔徑分布曲線。

圖4：疏水端長度對樣品結構的影響

（a-b）c-PEO₁₁₇-b-PS₂₆₄截面及表面TEM圖，方向分別為（100）、（110）；

（c-d）c-PEO₁₁₇-b-PS₁₉₈截面及表面TEM圖；研究人員發現，模板的疏水端PS鏈較長會導致大孔隙的形成，但是親水/疏水比例過大，不利于有序介孔結構的形成。

圖5：模板、c前軀體的自組裝

（a-b）THF蒸發5h后取出的PEO₁₁₇-b-PS₁₉₈/RF 的TEM圖；

（c-d）THF蒸發15h后取出的PEO₁₁₇-b-PS₁₉₈/RF 的SEM、TEM圖；比例尺分別為200、50、100、200nm。研究人員發現，球形PEO-b-PS /RF膠束的初步形成，是由于攪拌剪切力使得沿一個方向形成的一維納米線逐漸融合。

圖6：OMCs氨氣傳感器的性能表征

（a）OMCs薄膜覆蓋的電極；

（b）傳感器光學顯微圖像；

（c）c-PEO₁₁₇-b-PS₁₉₈傳感器在不同濃度氨氣下的響應恢復曲線；研究人員發現，OMCs傳感器檢出下限低且響應時間短。

（d）c-PEO₁₁₇-b-PS₁₉₈傳感器對不同氣體的響應；研究人員發現，OMCs傳感器具有優良的傳感選擇性。

文獻連接：A Micelle Fusion–Aggregation Assembly Approach to Mesoporous Carbon Materials with Rich Active Sites for Ultrasensitive Ammonia Sensing（JACS，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b07355）

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