赵东元JACS：新方法制备有序介孔碳用于超灵敏氨气传感器

【引言】

由于具有特殊的物理化学性质，纳米碳材料已受到相当多的关注。碳纳米管、石墨烯等纳米碳材料由于具有良好的化学稳定性、热稳定性和导电性已被证明是氨气传感器有潜力的材料，其传感机制是碳纳米结构表面的气体吸附和电荷交换。作为纳米碳材料重要的一种，有序介孔碳（OMCs）具有较高的比表面积和较大的孔容，可为氨气的相互作用提供巨大的反应界面。OMCs是发展工作温度低、灵敏度高、响应时间短的高性能氨气传感器的有潜力的材料。

【成果简介】

近期，复旦大学赵东元教授（通讯作者）和邓勇辉教授（通讯作者）等提出了一种新的灵巧的溶剂挥发诱导胶束聚集与自组装相结合的方法，成功制备了具有二维（2D）六方介孔结构及独特屈曲大孔结构的有序介孔碳（OMCs）。它是通过选择性蒸发含有环氧乙烷-b-聚苯乙烯（PEO-b-PS）嵌段共聚物模板的四氢呋喃溶液（THF/H₂O）中的溶剂四氢呋喃（THF）形成沉淀来实现的。其中，间苯二酚基酚醛树脂作为碳前驱体，接着在惰性气氛中对得到的沉淀物进行热解处理，得到OMCs。得到的OMCs具有独特的纤维状形态，其比表面积为571-880 m²/g，孔体积为0.54 cm³/g，大孔孔径高达36.3nm且具有高密度活性位点。由于具有尺寸大的孔隙、高的表面积和丰富的活性位点，基于OMCs的气体传感器在感测NH₃时表现出优异的性能，如工作温度低且响应速度快（<2min）、检测限极低（<1ppm）以及选择性良好。

【图文导读】

图1：样品制备流程图

部分名词说明（下同）

THF：四氢呋喃，有机溶剂；PEO：聚环氧乙烷，模板嵌段共聚物的一种嵌段；PS：聚苯乙烯，模板嵌段共聚物的一种嵌段。

图2：热处理及疏水端PS的长度对样品的影响

（a）角X射线散射；研究者通过对比600℃热处理前（i）后（ii）样品衍射峰强度，发现热处理后的样品形成了有序介孔结构。

（b-e）样品形貌表征；研究者确定了亲水端PEO的长度，通过调节疏水端PS的长度，研究了疏水端长度对材料的影响。

图3：样品结构及孔径大小表征

（a-b）（00）、110）方向TEM图像；分析对应的傅立叶变换衍射图，可以发现样品是一种二维对称结构。

（c）氮气吸附等温线；

（d）孔径分布曲线。

图4：疏水端长度对样品结构的影响

（a-b）c-PEO₁₁₇-b-PS₂₆₄截面及表面TEM图，方向分别为（100）、（110）；

（c-d）c-PEO₁₁₇-b-PS₁₉₈截面及表面TEM图；研究人员发现，模板的疏水端PS链较长会导致大孔隙的形成，但是亲水/疏水比例过大，不利于有序介孔结构的形成。

图5：模板、c前躯体的自组装

（a-b）THF蒸发5h后取出的PEO₁₁₇-b-PS₁₉₈/RF 的TEM图；

（c-d）THF蒸发15h后取出的PEO₁₁₇-b-PS₁₉₈/RF 的SEM、TEM图；比例尺分别为200、50、100、200nm。研究人员发现，球形PEO-b-PS /RF胶束的初步形成，是由于搅拌剪切力使得沿一个方向形成的一维纳米线逐渐融合。

图6：OMCs氨气传感器的性能表征

（a）OMCs薄膜覆盖的电极；

（b）传感器光学显微图像；

（c）c-PEO₁₁₇-b-PS₁₉₈传感器在不同浓度氨气下的响应恢复曲线；研究人员发现，OMCs传感器检出下限低且响应时间短。

（d）c-PEO₁₁₇-b-PS₁₉₈传感器对不同气体的响应；研究人员发现，OMCs传感器具有优良的传感选择性。

文献连接：A Micelle Fusion–Aggregation Assembly Approach to Mesoporous Carbon Materials with Rich Active Sites for Ultrasensitive Ammonia Sensing（JACS，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b07355）

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