成果簡介
氮摻雜中空碳奈米材料因具優良的電導率、較大的空腔體積和比表面積，已被廣泛的應用於電催化領域,成為了當下研究的熱點。目前，這類催化劑主要是利用模板法制備，來實現空心形態的控制。與傳統的硬/軟模板（如SiO2和PS球）相比，MCA作為一種新型的有機模板具有豐富的表面化學成分和易於去除的特點，具有巨大的潛力。然而，以MCA為模板面臨著前驅體只是隨機地堆積在模板表面而導致結構的不穩定問題，限制了相關應用。因此，探索簡單、可控的合成方法對於推進MCA模板的實際利用具有非常重要的現實意義。
為了解決這一問題，本文，東華大學科研人員在《Nanoscale》期刊發表名為“Nitrogen-doped hollow carbon nanoflowers from a preformed covalent triazine framework for metal-free bifunctional electrocatalysis”的論文，研究提出一種分步聚合-碳化法制備中空碳奈米花材料(N-HCNFs)的方法。首先，透過預共價連線策略來控制前驅體僅在MCA表面形成，而不是在液體反應介質中隨機分佈。隨後的碳化過程中，MCA模板揮發後產生高度交織的網狀空心結構，並具備微孔和介孔組成的多級孔。同時，MCA的骨架得到了很好的保留，其表面的N也很好地摻雜到最終的碳骨架中。所得到的催化劑在鹼性介質中，展現出優異的氧還原反應（ORR）效能（半波電位：0.84 V vs.RHE），良好的穩定性和耐甲醇性。同時將催化劑應用於鋅空電池陰極，測試表明所組裝的鋅-空電池具有較高的開路電壓1.45 V，其最大功率密度達到了115 mW cm−2，遠高於Pt/C催化劑的最大功率密度(91 mW cm−2)。此外，催化劑在10 mA cm−2電流密度下過電位僅為243 mV, 在酸性介質中的Tafel斜率為111 mV dec−1，說明其具備較為優異的析氫效能。本文為可控合成中空碳基催化劑提供了一條新思路。
圖文導讀
方案一 、N-HCNFs 合成示意圖。
圖1、 (a) MCA、(b) CTF-PP@MCA-2和 (c) N-HCNF-2-1000的SEM影象，(d) N-HCNF-2-1000 的 TEM 和 (e) HRTEM 影象， (f) N-HCNF-2-1000的TEM影象和元素對映。
圖2、 (a) CTF-PP、CTF-PP@MCA-2和MCA的FT-IR光譜，(b) N-HCNF-2-900、N-HCNF-2-1000 和 N-HCNF-2- 的拉曼光譜圖1100 和 (c) 在不同熱解溫度下製備的 N-HCNF樣品的XPS光譜。(d) N-HCNF樣品的高解析度N1s XPS光譜。(e) 相應樣品的氮吸附/解吸等溫線和 (f) 相應的孔徑分佈。
圖3、 (a-c) ORR效能：(a) N-HCNF-2-900、N-HCNF-2-1000、N-HCNF-2-1100 和 Pt/C 的 LSV 曲線；(b) N-HCNF-2-1000 在不同轉速下的 LSV 曲線。(c) N-HCNF-2-1000 和Pt/C在O2飽和的0.1 M KOH 中的計時電流響應。(d-f) HER 效能：(d) N-HCNF-2-900、N-HCNF-2-1000、N-HCNF-2-1100和Pt/C在0.5MH2 SO4中的LSV曲線。(e) 相應樣品的 Tafel曲線。(f) N-HCNF-2-1000在5000次CV測試迴圈前後的LSV曲線。
圖4、 (a) 鋅-空氣電池的製造示意圖，(b) N-HCNF-2-1000 和 Pt/C 正極的極化曲線和功率密度，(c) N-HCNF-2 的恆電流放電曲線-1000 和 Pt/C 正極分別在20mA cm -2的放電電流密度下，以及 (d) N-HCNF-2-1000 和 Pt/C 正極在不同電流密度下的倍率效能。
小結
研發人員開發了一種透過逐步聚合和隨後的熱解過程製備N 摻雜中空碳材料的簡單方法。作為前體的預先形成的共價三嗪骨架透過預共價連線可控地生長在MCA晶體的表面上。理想的中空結構、充足的 N 摻雜活性位點和高 SSA 為 ORR 和 HER 帶來了高效且持久的雙功能電催化活性。該策略為設計用於能量轉換和儲存的多功能材料提供了一種有前景的方法。
文獻：
DOI: 10.1039/d0nr04346
