赵东元院士团队最新JACS: 单胶束界面约束组装介孔碳超结构！

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研究内容

构建具有独特孔隙结构、可控形貌、高可达表面积和诱人功能的层次化三维细观结构仍然是材料科学的一大挑战。

复旦大学赵东元院士、李伟教授和晁栋梁教授首次报告了一种单胶束界面约束组装策略，精确的合成了一种独特的三维(3D)介孔氮掺杂碳超结构(MNCSs)。并进一步证明了这种介孔碳结构是一种先进的电催化材料，其半波电位为0.82 V (vs RHE)，相当于商业Pt/C电极的值，并具有显著的氧还原反应(ORR)持久性。相关工作以“Constructing Unique Mesoporous Carbon Superstructures via Monomicelle Interface Confined Assembly”为题发表在Journal of the American Chemical Society上。

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研究要点

要点1.该策略中，最重要的是除了“地球卫星”二氧化硅@单胶束超粒子的有限固体-固体单胶束-二氧化硅界面外，精细地有选择性地操纵多巴胺(DA)前体在单胶束和二氧化硅表面的组装和聚合。在去除二氧化硅和单胶束后，一个独特的介孔碳上层结构被成功构建。

要点2.在这一超粒子中，一个大的中空位于中心(直径约300 nm)，一层超薄的球形中孔单层(约22 nm)均匀分布在中空壳层上。同时，在每个微小的球形小介孔内表面形成一个小孔(4.0~4.5 nm)，使超粒子完全连通。这种相互连通的多孔超粒子具有超高的可达表面积(685 m2 g-1)和良好的水下好氧性，这是由于其丰富的球形中孔。这是传统多孔材料难以达到的表面球形介孔表面粗糙度。

要点3.作者还可精确控制超颗粒的球形介孔数量(70~150)、孔尺寸(22和42 nm)和壳层厚度(4.0~26 nm)均可精确控制。除了这种球形形态外，这种方法能够精确合成具有可切换配置的介孔超颗粒，包括3D纳米球、纳米囊泡和2D纳米片。

要点4.这种介孔碳超结构作为一种先进的电催化材料，其半波电位为0.82 V (vs RHE)，电流密度为5.8 mA cm-2，并具有显著的氧还原反应(ORR)持久性，相当于商业Pt/C电极的值。

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研究图文

图1. 三维中空分层介孔氮掺杂碳超结构的合成过程示意图，通过单胶束界面约束组装的超薄球形介孔单层。在这种结构中，一个大的空心位于中心，同时在空心壳上均匀分布着一层薄薄的球形中孔。每个球形小介孔的内表面都形成一个小孔(4.0~4.5 nm)，使介孔上层结构完全连通。

图2. 单胶束界面约束组装策略制备的介孔N掺杂碳超结构的低(a)和高(b, c)放大倍率FESEM和TEM (d)和HRTEM (e, f)。介孔氮掺杂碳超结构的片状纳米碎片的HAADF-STEM (g)和EDX元素分布(h-k)。

图3. 分层介孔氮掺杂碳超结构中空心壳上球形介孔数量的精确控制。(a)含氮介孔碳超结构的三维模型(截面)、HRTEM、高倍FESEM和氮吸附-解吸等温线，介孔数可调: 分别为150±5 (a, e, i, m)、120±4 (b, f, j, n)、90±3 (c, g, k, o)和70±2 (d, h, l, p)。

图4. 具有丰富表面球状介孔的介孔氮掺杂碳超结构和无表面介孔的常规中空颗粒在碱性电解质下的水下氧泡附着行为。空气中水滴与水下氧泡的接触角以及常规空心纳米球(a, b, c)和介孔N掺杂碳超结构(d, e, f)的SEM图像。氧泡在常规空心纳米球和新型介孔N掺杂碳超结构上的粘附行为示意图(g)。

图5. 介孔N掺杂碳超结构在0.1 M KOH电解液中对氧电化学还原的催化性能: (a)在O2和N2饱和0.1 M KOH溶液中扫描速率为100 mV s-1时的CV; (b)在1600 rpm转速下获得的介孔N掺杂碳超结构和Pt/C电极的RDE; (c)扫描速率为10 mV s-1，转速从400到1600 rpm时获得的LSV; (d)不同电极电位(0.6~0.4 V)下的LSV的曲线K-L图; (e) 5000势循环前后分层介孔氮掺杂碳超结构ORR极化图; (f)在0.4 V的O2饱和0.1 M KOH溶液中加入2 mL甲醇，220 s后，分层介孔N掺杂碳上层结构和20% Pt/C电极的电流-时间(i-t)时安培响应。

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文献详情

Constructing Unique Mesoporous Carbon Superstructures via Monomicelle Interface Confined Assembly

Zaiwang Zhao, Linlin Duan, Yujuan Zhao, Lipeng Wang, Junye Zhang, Fanxing Bu, Zhihao Sun, Tengsheng Zhang, Mengli Liu, Hanxing Chen, Yi Yang, Kun Lan, Zirui Lv, Lianhai Zu, Pengfei Zhang, Renchao Che, Yun Tang, Dongliang Chao,* Wei Li,* Dongyuan Zhao*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: 10.1021/jacs.2c03814

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