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氮掺杂的多孔碳/石墨烯纳米“三明治”
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多孔碳材料，由于具有高的比表面，高的化学和热稳定性，以及优良的导电性，其作为电极材料在超级电容器、电池等先进的能源存储与转化器件中有着非常广泛的应用。近年来，采用金属有机骨架配合物，尤其是类沸石咪唑酯骨架配合物（Zeolitic imidazolate Framework, ZIF）作为碳前驱物来制备多孔碳/过渡金属复合材料引起了研究者的广泛兴趣。ZIF作为一类重要的金属有机骨架配合物。它含有丰富的氮基团，具有规则的形貌和有序的孔道，碳化后可以得到具有规则形貌，高比表面，高氮掺杂量的多孔碳材料。这种氮原子掺杂的碳可以进一步提高碳材料的性能（如电催化，超级电容器）。但是大部分ZIF碳化的产物为分散的碳纳米粒子，其具有高的孔隙率，低的石墨化程度和大量的缺陷，这些特点使得碳化产物的导电性不高，现在了其在一些需要电子快速传递的电化学过程中的应用。比如氧还原反应（oxygen reduction reaction），发生在低温燃料电池的阴极，其需要样品具有非常好的导电性。石墨烯材料具有非常优良的导电性，但是石墨烯片层容易聚集，导致石墨烯具有非常低的比表面，从而不利于负载活性基团或者纳米颗粒在石墨烯表面。将金属有机骨架配合物的碳化产物和石墨烯复合起来，构建一种“三明治”的结构是一个潜在的理想途径使得碳材料同时具有高导电性，高比表面，高的氮原子掺杂量以及高的电化学活性。理性的做法是先将ZIF纳米晶生长在含有氧功能基团的氧化石墨烯（GO）上面，然后经过碳化得到“三明治”结构的多孔碳/石墨烯/多孔碳。但是由于ZIF晶体和氧化石墨烯之间的相互作用力比较弱，一般在GO上面生长ZIF只能得到非常大的ZIF晶体或者是ZIF纳米晶和GO的机械混合物，导致碳化过程中石墨烯剧烈聚集，得到的碳材料具有低的比表面和差的电化学性能。 氮掺杂的多孔碳石墨烯纳米“三明治” 最近，澳大利亚莫纳什大学（Monash university）魏晶博士以及王焕庭教授的研究团队开发了一种新的均相成核-沉积的方法制备了ZIF/GO/ZIF纳米“三明治”材料，并将其碳化得到的氮掺杂的多孔碳/石墨烯纳米“三明治”。该方法首先在均相体系中合成均匀的ZIF晶种，然后快速加入GO溶液，使ZIF晶种均匀沉积在GO片上。通过调控合成参数（如反应时间，浓度），可以让超小的ZIF晶种（～20 nm）完全将GO片包裹。这种结构可以有效地延缓石墨烯的聚集，从而可以得到高比表面 （～1170 m2/g）的氮掺杂的多孔碳/石墨烯“三明治”材料。同时也可以通过改变ZIF中的金属离子来得到金属纳米粒子/碳的纳米片。这种碳材料作为一种非贵金属催化剂用于氧还原，在碱性和酸性电解液中均具有高的起始电位和大的极限电流密度。同时这种材料比商业化的Pt/C催化剂具有更高的稳定性和抗甲醇稳定性，可以潜在地作为贵金属（铂）氧还原催化剂的替代材料。该工作为制备和应用金属有机骨架/石墨烯功能性复合材料提供了新的思路。同时这种材料也可以用在二氧化碳捕获，超级电容器，锂离子电池，以及电解水等领域。 （http://www.materialsviewschina.c ... ne-nano-sandwiches/） |
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