成果简介
中空介孔碳纳米球(HMCS)的无模板法构建是纳米材料科学界的迫切需求，但颇具挑战性。本文，东华大学的科研人员在《J.Colloid and Interf. Sci》期刊发表名为“Template-freeconstruction of hollow mesoporous carbon sphere from a covalent triazineframework for enhanced oxygen electroreduction”的论文，研究报道了一种直接、高效的无模板策略，制备氮、硫双掺杂中空介孔碳纳米球(N/S-HMCSs)，作为高效的氧还原反应(ORR)电催化剂。这种独特的中空球形结构是从共价三嗪框架聚合物实心球原位热引发而得到的。所得材料具有优异的氧还原电催化性能，以其为空气阴极材料组装的锌-空气电池展现出卓越的电化学性能。这一策略为中空多杂原子掺杂的功能碳纳米材料的合理设计与构建提供了一种崭新的方案。
图文导读
首先，他们以三聚氯氰和三聚硫氰酸为聚合单体，通过逐步溶剂热法诱发聚合形成内外层聚合度不同的实心共价三嗪聚合物纳米球。经高温热解后，原位得到尺寸大小均匀的氮、硫-双掺杂中空介孔碳纳米球(N/S-HMCSs)，无需任何模板。所制得的N/S-HMCS-900对ORR具有较高的电催化活性和稳定性，优于商业化的Pt/C电催化剂。这种杂原子掺杂的中空碳材料的制备方法有望进一步拓展至其他应用领域，发展成为一种高性能掺杂碳材料的通用制备手段。
图1. 无模板途径合成N/S-HMCS示意图。
图2. S-CTF和N/S-HMCS900的SEM/TEM图像及相应的元素Mapping图。
图3. (a) N/S-HMCS900的氮气吸附/解吸等温线和孔径分布，(b) N/S-HMCS900的 (b) XPS全谱(c) N 1s，(d) S 2p高分辨XPS光谱。
图4. 热致空心化机理形成N/S-HMCS的过程及相应的TEM图像
图5. N/S-HMCS900的ORR性能图
图6.以N/S-HMCS900为空气阴极组装的锌空电池性能图。
图7. N/S-HMCS900和N-HMCS900的DFT计算图。
小结
综上所述，作者发展了一种热引发的空化策略，以硫桥接的CTF固体纳米球(S-CTF)为前驱体，无模板制备了氮、硫-双掺杂的空心介孔碳球(N/S-HMCS)。通过控制聚合物S-CTF内外层的聚合度，保证了在没有模板的情况下形成中空纳米结构。此外，调节热解温度可以精确控制空心碳球的壳层厚度。结果表明，最佳的N/SHMCS900具有独特的中空介孔结构，理想的壳层厚度(~70 nm)、均匀的介孔(~5 nm)、大的比表面积(~331 m2 g-1)和高的杂原子掺杂量。这些独特的特性使N/SHMCS900对ORR和锌-空气电池具有较高的电催化活性和耐久性。进一步地，通过DFT计算阐明了氮、硫-双掺杂对增强ORR性能的贡献。本研究为合成具有精确结构的中空介孔碳材料提供了一种崭新的制备方法，在电催化领域具有光明的应用前景。
文献：
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.11.048