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    中山大學符若文教授團隊《Chem. Mater.》:基于自組裝嵌段共聚物的形貌可持續炭化制備高性能二維多孔炭復合材料
    2020-11-13  來源:高分子科技

      多孔炭納米片兼具納米孔炭材料和二維材料的結構優勢,具有比表面積高、孔隙率發達、橫縱比大和導電性優良等理化特性,因此將其與不同功能的活性組分復合,可以協同提升材料的整體性能。


      目前,大部分多孔炭納米片復合材料主要通過硬模板法合成。然而,這類方法涉及復雜的合成過程和苛刻的化學刻蝕,導致成本高而效率低。雖然采用液體模板(如熔融鹽輔助)等策略更經濟高效,但是難以調控材料的納米結構。因此,如何發展一種高效合成策略,無需特定模板或前驅體就可以實現多孔炭納米片復合材料的可控制備,仍是一個難以解決的科學問題。


      另一方面,以自組裝二維有機分子(如聚合物或大環分子)為前驅體的直接熱解法,是另一種高效制備炭納米片的方法。但是,有機分子的高表面能和嚴重燒失會導致熱解后無法得到預想的納米形貌;此外,引入額外的無機組分會破壞有機分子的自組裝結構,并導致無機組分分布不均,因此難以構筑二維多孔炭復合材料。已有研究表明,預先對有機分子進行化學交聯,能顯著提升骨架的可成炭性,實現納米結構的可繼承。然而,這類策略仍然限制在球形或纖維狀的有機前驅體。通過自組裝的有機分子前驅體制備多組分的二維多孔炭復合材料仍有待開發。


      最近,中山大學符若文教授課題組以自組裝的層狀嵌段共聚物為前驅體,經原位自交聯、磺化剝離和離子交換后,得到金屬離子耦合的二維聚合物。自交聯和磺化過程顯著提升了聚合物骨架的可成炭性和結構繼承性,因此,進一步熱解后成功制備了由金屬硫化物(MS)、分子尺度的氧化硅(SiOx)和多孔炭納米片組成的二維多孔炭復合材料(MS/SiOx@PCNs)。其中,二維多孔炭骨架不僅具有優良導電性,還可以提供快速的物質傳輸通道,金屬硫化物納米顆粒具有優異的儲鈉比容量,極性的SiOx對多硫化鈉有強化學吸附作用。得益于以上組分的多功能耦合,該類復合材料有望作為高性能的鈉離子電池負極材料。例如,以鈷離子耦合的二維聚合物為前驅體得到了Co9S8/SiOx@PCNs,其具有優異的倍率性能和超長的循環穩定性,在10 A g-1的大電流密度下循環5000圈,容量保持率高達94%。


    圖1. 基于自組裝嵌段共聚物形貌可持續炭化制備MS/SiOx@PCNs的示意圖。


    圖2. (a)xPTEPM58-b-PS201,(b)xPTEPM58-b-PSSA201和(c)PTEPM58-b-PSSA201的SEM圖片;(d)PTEPM58-b-PS201,xPTEPM58-b-PS201和xPTEPM58-b-PSSA201在氮氣氛圍下的熱失重分析曲線。


    圖3. Co9S8/SiOx@PCNs的結構表征:(a)SEM,(b)TEM和(c,d)高分辨TEM圖片;(e)STEM圖片和相應的元素地圖展現了碳、硅、氧、鈷和硫元素的分布;(f)氮氣吸附-脫附曲線;(g)XRD譜圖;內置圖(d)是沿白色直線的強度分布曲線,表明Co9S8顆粒的晶面距;內置圖(f)是孔徑分布曲線。


    圖4. Co9S8/SiOx@PCNs和Co9S8@PCNs電極的(a)在0.05-5 A g-1電流密度下的倍率性能,(b)在1 A g-1電流密度下的循環性能,(c)在10 A g-1電流密度下的長循環性能。(d)初始隔膜和Co9S8/SiOx@PCNs以及Co9S8@PCNs電極循環500圈后的隔膜的數碼照片。(e)Co9S8/SiOx@PCNs和Co9S8@PCNs經24小時后對多硫化鈉的可視化吸附。(f)SiO2和石墨烯對Na2S4的結合能。(g)石墨烯和(h)SiO2的(111)晶面吸附Na2S4的電荷差異。


      該論文以“Morphology-Persistent Carbonization of Self-Assembled Block Copolymers for Multifunctional Coupled Two-Dimensional Porous Carbon Hybrids”為題發表在Chemistry of Materials期刊上(Chem. Mater. 2020, 32, 8971?8980)。文章通訊作者為中山大學劉紹鴻副教授符若文教授,第一作者是黃俊龍博士


      原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c03136

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