Advanced Science：由缺陷石墨纳米片组成的高效氧还原反应超结构大孔碳棒

第一作者：Jing Wang

通讯作者：Chao Liu，Chengzhong Yu

通讯单位：华东师范大学

DOI：https://doi.org/10.1002/advs.202100120

背景

不同形貌的碳纳米材料因其丰富、低成本、高电导率和结构可调等物理化学性质而受到广泛关注。在不同的碳结构中，由纳米管、纳米纤维、纳米颗粒和纳米薄片等简单构件组装而成的三维碳超结构因其在能源和环境方面的优异性能而受到越来越多的关注。设计合理、具有超微结构的碳材料在电催化等领域具有广阔的应用前景。然而，从简单的晶体固体合成具有大孔和碳缺陷的高孔碳超结构仍然具有挑战性。

研究的问题

本文以结晶聚单宁酸(PTA)棒为前驱体，采用直接碳化法合成了由缺陷石墨纳米片组成的超结构大孔碳棒。在碳化过程中，具有高度有序的片层结构的PTA棒诱导空间受限的两步局域收缩效应在每一步中均会发生在不同的尺寸和方向上。意外的收缩行为导致海绵状大孔碳超结构具有大的比表面积、高的孔隙率和丰富的缺陷，从而显示出对氧还原反应具有高活性和高选择性的优异的电催化性能。该研究为具有独特结构和应用的功能碳材料的设计提供了新的认识。

图1.a，b)SEM和c)PTA的TEM图像，d-f)SEM和g-i)PTA-1000的TEM图像。刻度条是a)10µm，b，g)1µm，c)2µm，d)5µm，e)500 nm，f)200 nm，h)50 nm，i)和5 nm。

图2.a)比表面积和孔体积，b)X射线衍射光谱，c)拉曼光谱，d)ID/IG和C-C/C═C比率，以及e)高分辨率XPS光谱。

图3.a)XRD图谱，b)TA和PTA的TGA曲线，以及c)PTA-250和d)PTA-450的SEM图像。e-h)PTA-100、PTA-250、PTA-350和PTA-450的原位TEM图像。

图4.图a：PTA1000在O₂或N₂饱和的0.1 M KOH溶液中的循环伏安曲线,扫描速率为5 mV s⁻¹。

图b：在1600rpm氧饱和的0.1 M KOH溶液中，PTA-800、900、1000、1100、TA-1000和Pt/C的旋转环盘电极(RRDE)伏安曲线。

图c：PTA-1000在氧饱和0.1 M KOH溶液中不同转速下的线性扫描伏安(LSV)曲线。

图d：根据(c)中的LSV曲线绘制了PTA-1000在不同电位下的Koutecky-Levich曲线。

图e：由K-L方程计算出不同电位下的电子转移数(n)。

图f：塔菲尔曲线。

图g：PTA-1000和商用Pt/C在不同电位下的过氧化物含量(实线)和电子转移数(n)(虚线)。

图h：PTA-1000和Pt/C的电流-时间计时安培耐久性试验。

图i：在1600rpm的转速下，PTA-1000和Pt/C在氧气饱和的0.1 M KOH溶液(0-500s)和氧气饱和的0.1M KOH-甲醇溶液(500-2000s)中的电流-时间响应。

结语

综上所述，本文报道了以结晶聚单宁酸(PTA)棒为前驱体，通过直接碳化法合成由缺陷石墨碳纳米片组成的超结构大孔碳棒。在炭化过程中，具有高度有序的片层结构的PTA棒引发了空间受限的两步局域收缩，形成了具有大比表面积、高孔隙率和丰富缺陷的海绵状大孔碳超结构。由于这些结构上的优点，所得到的缺陷微孔碳超结构对氧还原反应表现出优异的电催化性能、高活性和稳定的稳定性。本文的工作为合成具有独特结构和应用于电催化等领域的大孔碳超结构提供了一条新的途径。

本文由SSC供稿。