ACS Nano: 具有定向可调节有序介孔的高度均匀碳板

【引言】

中孔碳由于其在吸附，分离，催化和储能方面表现出巨大潜力，其制备方法受到了广泛的关注。具体而言，具有均匀形态单分散的介孔碳纳米材料是较为理想的一类材料，因为它们可以将中孔和均匀纳米结构整合到一个单一实体中，从而产生独特的性质和应用。因此，控制中孔碳的结构/维度及其孔隙率的调节是十分重要的。在这方面，二维（2D）或伪二维多孔碳在过去的十年中引起了极大的兴趣，因为它们的片状结构使得孔隙充分暴露并且使得电荷载体各向异性运输。然而，大多数报道的制备多孔碳的方法，如石墨烯的KOH蚀刻，生物质活化或多孔聚合物热解所得碳片的孔隙率不能提供令人满意的可控性，其通常仅包含具有宽尺寸分布的无序孔。因此，制备具有可控孔隙率和有序形态的自支撑OMC片材仍然是一项极具挑战性的任务。

【成果简介】

近日，上海交通大学吴冬青副教授联合刘瑞丽研究员报告了一种软-硬模板辅助方法，用于制备非常规自立式OMC片（OMCSs）。使用MgAl层状双氢氧化物（MgAl-LDH）作为硬模板，三嵌段共聚物F127作为软模板，酚醛树脂作为碳源。发现MgAl-LDH和resol-F127单分子胶束之间的相互作用对OMCSs中介孔的取向具有强烈的影响，从而使具有垂直或水平排列的中孔阵列的OMCS的可控制造成为可能，发现其在不同配置的超级电容器中的电化学储能行为不相同。在具有两个对称电极的全固态超级电容器（ASSS）中，具有垂直中孔阵列的OMCS显示出优异的能量密度（28.9Wh kg^-1）和功率密度(288 288 kW kg⁻¹),，与基于OMC的最先进的超级电容器相媲美。另一方面，含有平面内膜状电极的微型超级电容器（MSCs）中含有水平介孔阵列的OMCS具有242 Wcm^-3的高功率密度，优于大多数OMC。更重要的是，制备具有方向可调的中孔阵列的碳片可以帮助阐明电化学存储机制并且允许根据它们的配置优化器件性能，从而为纳米级上的储能器件的操纵提供了强有力的工具。相关研究成果“Highly Uniform Carbon Sheets with Orientation-Adjustable Ordered Mesopores”为题发表在ACS Nano上。

【图文导读】

图一 OMCS制造过程的示意图

（a）三嵌段共聚物F127和低分子量酚酚醛树脂的组装，导致形成resol-F127单体胶束

（b）借助于界面诱导的相互作用，在MgAl-LDH表面上沉积单体胶束

（c）通过水热处理使甲阶酚醛树脂交联和固化

（d）通过单分子胶束/ LDH复合物的碳化形成OMCS / LDH

（e）蚀刻掉硬模板后可以获得OMCS

图二 OMCS的形貌表征

（a）OMCS-1的横截面SEM图像

（b）OMCS-2的的横截面SEM图像

（c，d）OMCS-1和OMCS-2的SEM图像

图三 具有高度有序介孔六边形的OMCS

（a，b）OMCS-1的TEM图像

（c，d）OMCS-2的TEM图像

图四 OMCSs电极材料的ASSS的电化学性能

（a）1000mV s^-1时获得的样品的CV曲线

（b）OMCS-1在30〜3000mVs^-1的不同扫描速率下的CV曲线

（c）OMCS-1在电流密度为20-100A g^-1时的恒流充放电曲线

（d）具有不同电流密度的ASSS的比电容容量保持率

图五 具有片状OMCSs电极材料的MSC的结构和性能

（a）平面MSC的示意图

（b）用OMCS膜涂覆的叉指电极的俯视SEM图像

（c）在5mV s^-1扫描速率下的MSC的CV曲线

（d）扫描速率5至1000mVs-1的比电容保持率

（e）MSC的Ragone图

（f）MSC在1V s^-1的循环可达20000次

图六 MgAl-LDH表面上的resol-F127单分子胶束的界面诱导的组装机制

【小结】

本文展示了一种软-硬模板辅助路径法，使得二维独立碳片的形态和中孔阵列的方向可调。作为超级电容器中的电极，OMCS具有显着的性能，包括高电容，倍率性能以及能量/功率密度，这些都受到其形态和孔隙率的控制。最重要的是，在这项工作中，resol-F127单分子胶束的表面依赖性聚集行为为各种具有可控孔隙度的2D自立式多孔材料提供了一个有趣的思路，并且将会在电化学储能和生物医学领域有着广泛的应用。

文献链接：“Highly Uniform Carbon Sheets with Orientation-Adjustable Ordered Mesopores” (ACS Nano. DOI: 10.1021/acsnano.8b00576)

本文由材料人编辑部学术组微观世界编译供稿，材料牛整理编辑。

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