【写作竞赛】亚微米碳球合成新途径

亚微米碳球不仅可用来构建许多多功能掺杂材料,而且其本身也可用于催化、载药、纳米器件等,因此受到研究者的广泛亲睐。然而,这些应用却很大程度上依赖于碳球的尺寸和分散性。因此制备分散性好,尺寸小的高质量亚微米碳球显得尤为重要。

目前世界上公认的制备这种碳球的最有效方法是酚醛树脂聚合法。该方法制备容易、热稳定性好、容易转化成碳球。但是该方法也有些不足之处。首先,作为原材料的苯酚和甲醛具有高致癌性;其次,该方法制备的碳球含有大量sp3轨道的碳原子,影响其导电性;第三,氮杂环原子的存在能大幅提高碳材料的电化学性能,而酚醛树脂聚合法中不含氮原子。因此,采用低毒原料合成热稳定性好、分散性高且具有原子掺杂结构的亚微米碳球对其实际应用具有很大意义。

 图一、a) 聚多巴胺前驱体合成示意图;b) 380纳米前驱体球的透射电镜照片。

基于以上考虑,近日,中国科学院长春应用化学研究所的禄乐慧和澳大利亚昆士兰大学生物工程和纳米技术研究所的禄高清(Max Lu)课题组发现了一种无毒、简单、可大规模制备单分散尺寸可控的亚微米碳球的方法。该方法以多巴胺为碳源,室温下在水、乙醇和氨水的混合液中自聚合成碳球前驱体——聚多巴胺球,通过调节氨水和多巴胺的比例可以控制球径在120到780纳米之间。该方法有很多突破和有利之处。第一,多巴胺无毒、分布广泛,是一种可持续资源。第二,得到小球径的碳球对其某些方面的应用意义重大,尤其像生物载药这些必须小于200纳米的方面。第三,形成的聚多巴胺中的碳原子更倾向于转化成sp2轨道碳,提高了碳球的导电性。第四,多巴胺中高含量的氮形成了碳球中的氮掺杂,不仅提高了碳球本身的电化学活性,也有利于过渡金属离子的引入和电化学性能提高。如在该碳球上引入Fe@Fe3C能使其氧还原性能与商业Pt/C相媲美。