1D有序介孔碳纤维构与2D纳米片筑1D/2D核/壳纳米结构作为高性能HER催化剂和不对称电容器电极材料

2D MoS2和MnO2片层结构因其特有的化学结构分别在析氢反应(HER)电化学催化和超级电容器方面具有良好的应用前景。然而,MoS2和MnO2的导电率低,电化学不稳定,不利于活性的改善和循环寿命的提升。将碳纳米材料用作电化学活性物质的基底以增强其性能在近年来吸引了越来越多科学家们的关注,尤其是将一维碳材料和二维过渡金属基纳米片复合成1D/2D 核/壳纳米复合材料在能量储存和转化以及电催化方面有着广泛应用。然而该领域目前发展面临的瓶颈是所使用的碳基底通常为不含孔或是含有直径小于2nm的微孔材料大大阻碍电子,离子以及大分子的传输,因而使得到的复合材料的性能提升受到限制。

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近日,郑州大学张佳楠副教授、许群教授与北京大学郭少军教授合作共同制备出以一维有序介孔碳(OMCRs)为基底复合过渡金属硫/氧纳米片的核壳纳米复合材料(MoS2@OMCRs,MnO2@OMCRs)在电催化析氢(HER)以及不对称电容器(ASC)中的性能都得到大大提升。该研究有效改善了传统碳基材料在物质和能量传输方面的局限性,OMCRs独特的多级介孔结构不仅提高了复合材料的导电能力,而且为充放电过程中的电子和离子传输提供了互连的通道,加速反应动力学,提升反应活性。此外,OMCRs的一维结构还为表面纳米片的生长提供了有效取向,避免了生长过程中的堆积与团聚,加固结构稳定。超薄纳米片在OMCRs表面的垂直生长也被认为对于有效活性面积的增大以及电解液离子与复合物的接触提供了有利途径。这项工作突破了传统碳基材料作为活性物质的基底在电化学应用中的弊端和难题,为制备类似结构类型的纳米复合材料用于传感器,吸附,催化剂,气体分离,药物运载以及能量储存提供了研究依据。

相关结果已于近期发表于Adv. Funct. Mater. (DOI: 10.1002/adfm.201603504)上。