Small Methods 碳纳米材料中的氮掺杂:缺陷还是机遇?

氮掺杂是碳纳米材料研究中的关键修饰手段。对于富勒烯、碳纳米管、石墨烯等材料,氮掺杂能够改变石墨碳边缘或体相的原子结构,进而调控其基础的物理化学性质。通过原位合成或后处理的方式可以有效地引入氮掺杂,但同时也伴随着拓扑缺陷的产生。此类缺陷对于碳纳米材料的诸多性质至关重要,如高载流子密度、高催化活性、高化学亲和性等。自20世纪80年代起,多种氮掺杂的碳纳米材料得以成功制备,但其发展大大受限于材料载流子迁移率的降低。近年来,随着化学技术的不断发展,氮掺杂碳纳米材料在载流子密度、表面能和表面反应活性等方面的调控都大大增强,进而扩宽了材料的应用领域。然而,尽管相比于其他掺杂,氮掺杂方面的研究不断深入,但对于其带来的其他性能,如能量转化、直接氧化还原反应、缺陷位点调控的化学键变化等理解仍然很少。

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通过对近几年相关开创性工作的分析,韩国科学技术院的Sang Ouk Kim教授课题组总结了碳纳米材料中氮掺杂的最新研究进展,重点讨论了其中的缺陷化学和缺陷工程。文章中首先对氮掺杂的不同构型进行了明确的定义,如石墨氮、边缘吡啶氮、单空位处的吡啶氮、卟啉氮、吡咯氮等。由于缺陷和电子结构的不同,不同构型的掺杂对于碳纳米材料的诸多性质都有着重要的影响,并且差异很大,如功函数、结合能、形成能、氧分解的能垒、氧化原反应路径等。相比于研究比较热门的能源存储与转化,本文章旨在展示氮掺杂赋予碳纳米材料的其他新兴应用。

该评述指出,构型选择性的氮掺杂对于碳纳米材料在能源催化和储存领域的应用至关重要。通过简单的液相反应,氮掺杂的碳纳米材料可以借助弱分子间相互作用,如静电力、氧化还原电位差、范德华作用力等合成多种复合材料,包括高分子、过渡金属、金属氧化物/氮化物/硫化物、半导体量子点等,在催化、储能、有机光伏、OLED等方面具有很好的应用性能。此外,氮掺杂碳纳米管在电化学氧化的处理下能够裁剪开形成石墨烯纳米带结构,通过掺杂密度、施加电压、反应时间等可以对其进行精确调控。同时,文章也指出碳纳米材料的氮掺杂研究中仍然存在的挑战和机遇,包括对单个氮掺杂位点的态密度的调控、对化学吸附能垒的进一步降低、电子云结构和化学键变化的可控调变等。作者希望通过该文章的视角为材料科学提供新的思路,在增加基础物理和化学理解的基础上,为氮掺杂碳纳米材料的发展拓展应用。

原文链接:

Won Jun Lee, Joonwon Lim and Sang Ouk Kim. Nitrogen Dopants in Carbon Nanomaterials: Defects or a New Opportunity? Small Methods, DOI: 10.1002/smtd.201600014.

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.201600014/abstract

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