可水性分散的石墨化氮掺杂碳纳米胶囊

碳是自然界和生命体系的关键元素之一,也是一大类功能极为广泛的材料,随着纳米技术的发展,新型纳米碳材料在能源存储转换、高效电子器件等领域扮演着至关重要的角色。采用氮原子对碳骨架进行掺杂改性,可调节其电子结构,获得表面化学活性更高,功能性更优异的氮掺杂碳材料,是当前的研究热点。例如,将氮掺杂碳制备成空心纳米胶囊或纳米球,可获得更高的比表面积,比容体积,和可控的通道传输结构,在超级电容器、锂电、纳米反应催化等领域有重要应用。然而,由于碳元素的本征疏水性以及纳米球体的表面能效应,在没有分散剂的情况下,绝大多数纳米碳胶囊在水性体系中无法获得良好分散,不利于其应用。此外,制备直径20 nm左右、极小尺寸纳米碳胶囊仍然是当前的难点。针对这些问题,马克思普朗克胶体与界面研究所Yuan Jiayin博士课题组设计提出聚离子液体纳米限域炭化法,成功制备了水分散性好、石墨化程度高、尺寸可调(20 nm ~ 90 nm)的氮掺杂纳米碳胶囊,并对氧气还原反应(oxygen reduction reaction, ORR)表现出优异的电催化活性,有望用于燃料电池催化等领域。

该方法基于聚离子液体优异的加工性和炭化掺杂性,结合纳米铸造法进行限域炭化 (confined carbonization)。首先,对其课题组前期制备的聚离子液体纳米球进行二氧化硅纳米铸造(silica nanocasting),将纳米球体分隔固定在二氧化硅基体内。在之后的升温炭化过程中,聚离子液体在其自身的限域区间内发生熔融流动、交联、分解炭化等过程,并最终沿球体壁形成炭化纳米层。尤为重要的是,此过程中聚离子液体炭化层进行取向组装和氮元素原位掺杂,因而获得石墨化程度高的氮掺杂碳。去除掉二氧化硅层模板后,所得碳胶囊表层荷负电(zeta电位~ – 25 mv),通过极性稳定和静电排斥作用,在水中良好、持续分散。此外,所获胶囊尺寸取决于聚离子液体纳米球前驱体, 可在20至90纳米间任意调控,具有电化学催化活性。

该工作构筑的方法充分发挥了聚离子液体作为碳前驱体的纳米加工优势,为制备氮掺杂、易分散的石墨化纳米碳材料提出了普适性思路,有望促进电容器、电池等电极材料和电化学催化剂的发展。