文獻導讀-余承忠ACS nano：無需表面活性劑，可控合成的介孔碳空心球制作出性能更佳的超級電容器

近日，澳大利亞昆士蘭大學余承忠教授等人提出了一種合成介孔碳空心球（Mesoporous carbon hollow spheres，簡稱MCHS）的新方法。相比現有的制備方法，新方法具有操作簡單，不需要表面活性劑，可調控氣孔形態，且合成的碳空心球具有多層結構等優點。

納米結構的碳材料及其復合物具有高化學和熱穩定性，良好的導電性，內在的疏水性和表面化學的易修飾性等眾多優異的性質，使得眾多領域的科學家產生了極大的研究興趣。作為碳材料中的一種，MCHS因其獨特的性質（低密度、控殼結構、高表面積和內部空間的可利用等性質）在生物醫學、催化、吸收及能量存儲等領域擁有巨大的應用前景。

本文的亮點在于提出了一種不需要表面活性劑、利用三種分子（間苯二酚、甲醛和四丙基酸乙酯）合成MCHS的一步法。在合成過程中，調制原位SiO2粒子和聚合物低聚體的共縮合過程，分散出可調節孔從微米到13.9納米范圍的MCHS。利用合成的MCHS制作的電化學雙層電容器具有高電容、出色的倍率性能和突出的循環穩定性等特點。此外，該方法也適用于在無表面活性劑條件下制備金屬氧化物@碳的蛋黃-殼結構，該方法的提出促進了不同應用下納米介孔碳復合物可控制備技術的發展。

圖1 (a)為無表面活性劑合成MCHS的一步法示意圖；(b)為金屬氧化物@介孔卵黃-殼結構的合成示意圖。

圖2 (a)和(b)為在氮氣環境下，碳化后的SiO2@SiO2/C復合物的SEM圖像；(c)為SiO2@SiO2/C復合物在空氣中煅燒除去碳后的SiO2@SiO2的TEM圖片；(d)和(e)為從SiO2@SiO2/C復合物除去SiO2模板后得到MCHS的SEM圖像；(f)為介孔碳空心球的TEM圖像。

圖3 (a) TEOS (curve I)、TPOS (curve II)、純RF 粒子(curve III)和TPOS + RF (curve IV)的粒子大小隨反應時間的函數變化；(b) 在TEOS和TPOS系統中溶液的電導率隨反應時間的變化，通過對兩條曲線的對比，可以看出，TPOS系統的電導率在１ｈ后變化很緩慢，趨于常數，表明在TPOS系統中原位SiO2粒子有更長的生存時間，并且它們的聚合體形成核粒子的速度更慢。

圖4 (a) 為MCHS的循環伏安圖：在100mv/s的掃描速度下形成的準矩形C-V曲線表明在充放電過程中電子和離子的輸運速度很快；（b）為MCHS的充放電曲線，曲線曲率很小，近似線性和對稱性，表現了良好的電容性和電化學可逆性；（C）為不同電流密度下MHCS－TEOS和MCHS的電容特性，比較可以看出MCHS的電容特性明顯優于MHCS－TEOS；（d）MCHS 的循環穩定性測試曲線，可以看出，MCHS具有極佳的循環穩定性，在10A/g下的1000次循環后，仍可以保持98.6%的初始電容量。

圖5 (a)和(b)為MnO2@C的TEM圖像；(c)和(d)為Fe3O4@C卵黃-殼結構的TEM圖像。

余承忠教授等人提出的新方法是制備納米多孔結構材料領域上的一大創新，該方法不僅可以制備出性能優良的MCHS，而且該方法還適用于金屬氧化物@碳卵黃-殼結構的制備。文章最后還詳細敘述了MCHS的合成實驗、金屬氧化物@介孔碳卵黃-殼結構的合成實驗、結構表征實驗和電化學性能評估實驗相關參數設定及細節。

該研究成果于2016年4月6日發表在ACS nano (IF: 12.881) 上，點我下載該文獻。

本文由材料人科普團隊學術組靈寸供稿，材料牛編輯整理。

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