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昆士兰大学《Small》:空心海龟壳状的2D介孔碳,用于解决重新堆叠效应

材料分析与应用  · 公众号  ·  · 2024-12-31 16:41

正文


1 成果简介


本文,昆士兰大学Minjun Kim、Yusuke Yamauchi等研究人员在《Small》期刊 发表名为“ 2D Mesoporous Carbon with Hollow Turtle Shell-Like Morphology for Resolving Restacking Effect ”的论文, 研究 通过三元异质结构策略合成了一种独特的二维空心海龟壳状介孔碳 (HTMC),从而缓解了二维材料的重新堆积趋势 三元二维异质结构是通过在氧化石墨烯(GO)上原位生长 zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8)以及随后的介质结构聚多巴胺(mPDA)涂层来实现的,从而获得三元异质结构 GO@ZIF-8@mPDA,然后通过直接碳化将其转化为具有大孔、中孔和微孔的分层多孔 HTMC。 此外, 还分别从二元异质结构的 GO@ZIF-8 和 GO@mPDA中合成了二维海龟壳状微孔碳(TMC)和二维介孔碳(MPC),以研究多孔性对缓解重堆叠二维碳可利用表面积损失的影响。 在1M H2SO4 中,HTMC 在所有扫描速率下(500mV s-1时93.7Fg-1至1mVs-1时 334.47Fg-1)都表现出最高的比电容(Csp)。 此外,HTMC 还具有出色的速率能力,同时在所有扫描速率下都能保持最大的电荷存储容量。

2 图文导读


图1、 a) Schematic overview of the synthetic pathways to HTMC, TMC, and MPC. SEM images of b,c) GO@ZIF-8, e,f) GO@ZIF-8@mPDA, h,i) GO@mPDA. TEM images of d) GO@ZIF-8, g) GO@ZIF-8@mPDA, and j) GO@mPDA.


图2、Schematic illustrations of pore structures and morphologies of a-i) TMC, b-i) HTMC, and c-i) MPC. SEM images of a-ii, iii) TMC, b-ii, iii) HTMC, and c-ii, iii) MPC. TEM images of a-iv) TMC, b-iv) HTMC, and c-iv) MPC. STEM images of HTMC with d-i) secondary electron and d-ii) dark field. e) XRD spectra for TMC, MPC, and HTMC. f) TGA and DTG of GO, ZIF-8, GO@ZIF-8, and GO@ZIF-8@mPDA. g) N 2 adsorption-desorption isotherms for TMC, MPC, and HTMC. h) S BET and pore volumes for TMC, MPC, and HTMC.


图4、 High-resolution TEM images of a) TMC, b) MPC, and c) HTMC. STEM dark-field images and EDS mapping of d) TMC, e) MPC, and f) HTMC. g-i) Schematic description of nitrogen bonding type in the carbon microstructure. g-ii) Relative percentages of nitrogen bonding type calculated from N 1s high-resolution XPS spectra.


图5、a) CV curves at 500 mV s −1 and b) GCD curves at 3 A g −1 , and c) C sp values at various scan rates from 1 mV s −1 to 500 mV s −1 of TMC, MPC, and HTMC measured in 1 M H 2 SO 4 . d) ECSA values and ECSA values of TMC, MPC, and HTMC normalized to their S BET values. e) Frequency-dependent capacitance plot showing imaginary capacitance of TMC, MPC, and HTMC from 10 MHz to 100 kHz, f) specific capacitance values ( C sp_EIS ) and relaxation time constants (τ 0 ) calculated from EIS data for TMC, MPC, and HTMC, and g) schematic illustrations of ion and electron mobility through the hierarchically porous network of HTMC.


3 小结


这项工作介绍了一种用于创建独特的分层多孔碳纳米结构的新策略,以克服二维材料中常见的重新堆叠限制。该策略通常涉及三元异质结构碳前驱体的合成,GO最初被ZIF-8包覆,随后被mPDA层包覆。三元异质结构 GO@ZIF-8@mPDA 成功转化为HTMC,这种材料具有独特的分层孔隙率,在单个二维碳颗粒中具有丰富的微孔、清晰的中孔和多个大孔腔。与分别由GO@ZIF-8和 GO@mPDA 制备的TMC和MPC相比,HTMC的ECSA和EWSA明显更高,孔隙连通性更均衡,因此在保持快速离子传输的同时,单位质量电荷存储容量也更高。本文合成HTMC的方法具有很大的潜力,可用于其他需要高效质量扩散、高电化学可及表面积和高循环稳定性的应用,如电催化和电池技术。


文献:

https://doi.org/1 0.1002/smll.202406174

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