Lågdimensionella kolmaterial (LDC), inklusive grafen och kolnanorör, har väckt stor uppmärksamhet på grund av sina unika morfologier och spännande elektriska egenskaper. Dessa material är dock vanligtvis mindre funktionaliserade för elektrokemiska tillämpningar. Därför är det avgörande att ta fram en syntesväg nedifrån och upp för minst utvecklade länder som kan förbättra deras elektrokemiska egenskaper och upprätta ett struktur-prestandaförhållande.
För närvarande kräver de flesta bottom-up-metoder för MUL-syntes dyra prekursorer och tråkiga syntesprocedurer, vilket allvarligt hindrar deras elektrokemiska tillämpningar.
I en nyligen publicerad studie publicerad i Advanced Powder Materials , föreslog ett team av kinesiska forskare en ny väg för att konstruera 1D/2D kolnanostrukturer med avstämbara bildförhållanden och en hög kvävehalt (N), med användning av en enda startkälla av småmolekylformamid.
Detta innovativa tillvägagångssätt leder till bildandet av en specifik 1D-typ polymeriserad (HCN)x, känd som polyaminoimidazol (PAI). De PAI-baserade kolnanostrukturerna som odlas på ett dimensionellt sätt kan därefter genomgå karbonisering för att erhålla starkt N-dopade 1D- eller 2D-kolstrukturer.
"Syntesmetoden som föreslagits i denna studie är mycket användarvänlig, vilket gör den lämplig för uppskalning i både laboratorie- och industrimiljöer", förklarar en av studiens författare, Guoxin Zhang, professor i kontrollerbar syntes av kolnanomaterial vid Shandong University of Vetenskap och teknologi. "De minst utvecklade länderna som härrör från formamid uppvisar en extremt hög N-halt, som överstiger 40 atomprocent, mätt efter att ha genomgått solvotermisk behandling."
Noterbart, även efter glödgning vid temperaturer så höga som 900 °C, kvarhålls över 10 atomprocent av N-innehållet. "Detta fascinerande fynd möjliggör utformningen av ett brett utbud av elektrokemiska funktioner för applikationer inom energilagring och katalys," tillade Zhang.
Teamet gjorde också en intressant observation angående tillsatsen av melamin, en förening med tre utåtgående aminogrupper, under den solvotermiska behandlingen av formamid. Genom att introducera melamin som ett "frö" har det förmågan att omvandla det ursprungliga 1D-tillväxtmönstret av formamid till en 2D-struktur, vilket leder till bildandet av tunna lager av 2D-kolmaterial.
Studien klargör att tillväxten av både 1D och 2D lågdimensionella kolmaterial (LDC) följer en specifik väg:(1) dehydrering av formamid till HCN-molekyler, (2) polymerisation av HCN till tetramerer och efterföljande 12-merer (polyaminer) , (3) decyanering av 12-mererna, och slutligen (4) intramolekylär cyklisering.
Den exakta atomstrukturen hos LDC-produkten kan lösas med hjälp av neutrondiffraktionsteknologi, vilket möjliggör bestämning av parfördelningsfunktionen, som visas i grafen, som motsvarar strukturen för polyaminoimidazol (PAI).
"Tills nu har det varit utmanande att direkt odla minst utvecklade länder med så hög kvävehalt vid milda temperaturer. Våra tillvägagångssätt banar väg för den kontrollerbara syntesen av nanokolväten med hjälp av små molekylära byggstenar", säger studiens huvudförfattare, Zongge Li. "Dessa material kan effektivt användas som elektrokatalysatorer för energieffektiv produktion av väteperoxiddesinfektionsmedel."
Mer information: Zongge Li et al, Anisotropisk lösningstillväxt av 1D/2D N-rikt kol, Avancerade pulvermaterial (2023). DOI:10.1016/j.apmate.2023.100138
Tillhandahålls av KeAi Communications Co.
