文献导读-余承忠ACS nano：无需表面活性剂，可控合成的介孔碳空心球制作出性能更佳的超级电容器

近日，澳大利亚昆士兰大学余承忠教授等人提出了一种合成介孔碳空心球（Mesoporous carbon hollow spheres，简称MCHS）的新方法。相比现有的制备方法，新方法具有操作简单，不需要表面活性剂，可调控气孔形态，且合成的碳空心球具有多层结构等优点。

纳米结构的碳材料及其复合物具有高化学和热稳定性，良好的导电性，内在的疏水性和表面化学的易修饰性等众多优异的性质，使得众多领域的科学家产生了极大的研究兴趣。作为碳材料中的一种，MCHS因其独特的性质（低密度、控壳结构、高表面积和内部空间的可利用等性质）在生物医学、催化、吸收及能量存储等领域拥有巨大的应用前景。

本文的亮点在于提出了一种不需要表面活性剂、利用三种分子（间苯二酚、甲醛和四丙基酸乙酯）合成MCHS的一步法。在合成过程中，调制原位SiO2粒子和聚合物低聚体的共缩合过程，分散出可调节孔从微米到13.9纳米范围的MCHS。利用合成的MCHS制作的电化学双层电容器具有高电容、出色的倍率性能和突出的循环稳定性等特点。此外，该方法也适用于在无表面活性剂条件下制备金属氧化物@碳的蛋黄-壳结构，该方法的提出促进了不同应用下纳米介孔碳复合物可控制备技术的发展。

图1 (a)为无表面活性剂合成MCHS的一步法示意图；(b)为金属氧化物@介孔卵黄-壳结构的合成示意图。

图2 (a)和(b)为在氮气环境下，碳化后的SiO2@SiO2/C复合物的SEM图像；(c)为SiO2@SiO2/C复合物在空气中煅烧除去碳后的SiO2@SiO2的TEM图片；(d)和(e)为从SiO2@SiO2/C复合物除去SiO2模板后得到MCHS的SEM图像；(f)为介孔碳空心球的TEM图像。

图3 (a) TEOS (curve I)、TPOS (curve II)、纯RF 粒子(curve III)和TPOS + RF (curve IV)的粒子大小随反应时间的函数变化；(b) 在TEOS和TPOS系统中溶液的电导率随反应时间的变化，通过对两条曲线的对比，可以看出，TPOS系统的电导率在１ｈ后变化很缓慢，趋于常数，表明在TPOS系统中原位SiO2粒子有更长的生存时间，并且它们的聚合体形成核粒子的速度更慢。

图4 (a) 为MCHS的循环伏安图：在100mv/s的扫描速度下形成的准矩形C-V曲线表明在充放电过程中电子和离子的输运速度很快；（b）为MCHS的充放电曲线，曲线曲率很小，近似线性和对称性，表现了良好的电容性和电化学可逆性；（C）为不同电流密度下MHCS－TEOS和MCHS的电容特性，比较可以看出MCHS的电容特性明显优于MHCS－TEOS；（d）MCHS 的循环稳定性测试曲线，可以看出，MCHS具有极佳的循环稳定性，在10A/g下的1000次循环后，仍可以保持98.6%的初始电容量。

图5 (a)和(b)为MnO2@C的TEM图像；(c)和(d)为Fe3O4@C卵黄-壳结构的TEM图像。

余承忠教授等人提出的新方法是制备纳米多孔结构材料领域上的一大创新，该方法不仅可以制备出性能优良的MCHS，而且该方法还适用于金属氧化物@碳卵黄-壳结构的制备。文章最后还详细叙述了MCHS的合成实验、金属氧化物@介孔碳卵黄-壳结构的合成实验、结构表征实验和电化学性能评估实验相关参数设定及细节。

该研究成果于2016年4月6日发表在ACS nano (IF: 12.881) 上，点我下载该文献。

本文由材料人科普团队学术组灵寸供稿，材料牛编辑整理。

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