水热碳化法:宏量制备碳纳米纤维气凝胶催化剂的新策略

由于具有优异的燃料电池阴极反应(氧气还原反应)催化性质,过渡金属/氮掺杂碳纳米材料作为一种非贵金属催化剂受到了科学界和工业界的广泛关注。然而,发展简单、廉价、可宏量生产的方法制备高性能过渡金属/氮掺杂碳纳米材料是一个亟待解决的重要问题。水热碳化法具有低能耗、易于操作、便于放大反应规模以及可使用绿色、廉价的生物质及其衍生物为碳源等特点,因此被广泛地用于合成不同结构和功能的碳纳米材料。但是,由于前驱物对水热合成的影响巨大,针对特定结构的金属/氮掺杂碳纳米材料的可控合成以及组分和性能的最优化依然存在挑战。

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鉴于此,中国科学技术大学俞书宏教授团队选用两种生物质衍生物,即氨基葡萄糖盐酸盐和葡萄糖酸亚铁作为原料,通过超细纳米线模板指引水热碳化法制得了铁/氮掺杂的碳纳米纤维气凝胶材料。他们发现成功合成的关键是使用葡萄糖酸亚铁或柠檬酸铁等有机盐为铁源,保证了可回收循环使用的超细碲纳米线模板的稳定性。该合成方法的优势在于可以在很宽的范围内(从几十到数百纳米)精确调控碳纳米纤维的直径。此外,该方法可成功拓展用来合成其它过渡金属(例如:钴)/氮掺杂的碳纳米纤维气凝胶材料。更为重要的是,在水热合成条件下,溶液中葡萄糖酸亚铁及氨基葡萄糖盐酸盐有机前驱物在分子尺度上的均匀混合和生长确保了铁元素和氮元素高度均匀地掺杂在每根碳纳米纤维中。因此,在高温热解过程中可以形成更多高活性、均匀分布的铁-氮配位催化位点(FeNX)。碱性条件下,氧还原反应活性的测试显示这种铁/氮掺杂碳纳米纤维催化剂的起始电位为0.88 V,半波电位为0.78 V,这个活性可以媲美商业的铂基催化剂。此外,在酸性体系中,该铁/氮掺杂碳纳米纤维催化剂也表现出良好的催化性能。

这种使用廉价生物质衍生物为原料的水热合成策略,不仅为碳基非贵金属氧还原催化剂的可控合成提供了新思路,而且这种绿色、可持续的碳纳米材料合成思路可广泛地推广到超级电容器、锂离子电池等领域。相关文章发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201602334)上。