日前，上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院馮新亮教授、吳東清副教授研究團(tuán)隊(duì)在合成新型多級(jí)結(jié)構(gòu)碳材料方面的研究工作取得突破性進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表在國際著名材料期刊《Advanced Materials》上，題為“Nitrogen-Doped Porous Carbon Superstructures Derived from Hierarchical Assembly of Polyimide Nanosheets”。
由碳納米管和石墨烯等低維碳材料構(gòu)筑的多級(jí)結(jié)構(gòu)碳材料不僅可以繼承其構(gòu)筑單元的優(yōu)異物理化學(xué)性質(zhì)，還能避免它們的團(tuán)聚或堆疊，有效地提高材料的表面積，使其活性位點(diǎn)充分暴露，從而大幅提升材料的性能，在能源領(lǐng)域（如燃料電池，超級(jí)電容器，鋰離子電池等）有著誘人的應(yīng)用前景。然而，多級(jí)結(jié)構(gòu)碳材料的構(gòu)筑單元目前仍主要局限于石墨烯、碳納米管或碳纖維等，對(duì)于其結(jié)構(gòu)、組成和性能的調(diào)節(jié)和控制也因而受到限制。因此，開發(fā)多級(jí)結(jié)構(gòu)碳材料的新結(jié)構(gòu)概念和制備方法將會(huì)是豐富其種類和拓展其應(yīng)用的關(guān)鍵。
針對(duì)這一點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了獨(dú)特的溶液自組裝路線，以聚酰亞胺（PI）為原料，通過調(diào)節(jié)溶劑和濃度等條件，制備了由二維片狀PI組成的具有花狀形貌的多級(jí)結(jié)構(gòu)聚合物。在經(jīng)過碳化/氨氣活化等步驟處理后，可以進(jìn)一步得到保留了原有花狀多級(jí)結(jié)構(gòu)的氮摻雜碳材料（NPC-F）。得益于高表面積，高氮摻雜量以及自支撐的三維多級(jí)結(jié)構(gòu)，NPC-F不僅展現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原電催化性能，在作為超級(jí)電容器的電極材料時(shí)也表現(xiàn)出高的容量以及超穩(wěn)定的循環(huán)性能。
該工作不僅成功制備了具有新穎多級(jí)結(jié)構(gòu)的高性能碳材料，也為從分子設(shè)計(jì)角度構(gòu)筑多級(jí)結(jié)構(gòu)碳材料提供了新思路。
發(fā)文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/adma.201505131/full
背景知識(shí)：聚酰亞胺（Polyimide, PI）是指主鏈上含有酰亞胺環(huán)（-CO-NH-CO-）的一類聚合物。聚酰亞胺具有優(yōu)異的性能，如耐熱/寒穩(wěn)定性、電絕緣性、耐輻射性、耐化學(xué)腐蝕性，被用于制備薄膜，纖維，涂料，先進(jìn)復(fù)合材料，微電子器件，受到各行各界的廣泛關(guān)注，成為了一類非常重要的材料。由于突出的熱穩(wěn)定性，聚酰亞胺常用于制備碳材料和石墨材料，如高度結(jié)晶的石墨薄膜，碳納米纖維，納孔碳膜，碳泡沫等。
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