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溶解度参数指导的溶剂选择引发Ostwald Ripening制备中空结构及结构依赖的电化学性能

近年来,中空结构(Hollow structures)由于其独特的结构特征、迷人的理化性质和广泛的应用领域极大地吸引了科研工作者的兴趣。自2004年开始,利用奥斯特瓦尔德熟化机理(Ostwald Ripening设计和制备中空微/纳米结构成为了材料科学领域的一个热点。目前,几乎所有相关的工作都很少阐明如何控制引发Ostwald Ripening的发生,从而限制了中空结构微/纳材料的控制合成和广泛应用。因此,如何控制诱导引发Ostwald Ripening来构筑中空结构具有深远的意义。

针对这一问题,近期北京理工大学曹敏花课题组在通过Ostwald Ripening机理制备中空结构的研究中有了全新发现:该课题组设计并成功实现了Ostwald Ripening可控诱导引发,利用汉森溶解度参数(Hansen solubility parameter)指导选择合适的反应溶剂,成功引发了Ostwald Ripening过程,实现了中空结构的可控制备。

由于初始形成的纳米晶在反应介质中的溶剂度对Ostwald Ripening的发生,起着非常重要的作用。因此,如何提前预测初始形成的纳米晶在反应介质中的溶解行为,从而引发Ostwald Ripening的发生对指导快速的实现中空结构的设计合成具有重要意义。该工作首次利用汉森溶剂度参数指导选择了N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为反应介质,成功诱导引发Ostwald Ripening过程,制备了不同内部空间结构的硒化钼中空微球(图1)。

溶解度参数指导的溶剂选择引发Ostwald Ripening制备中空结构及结构依赖的电化学性能

图1 溶解度参数指导的溶剂选择过程及各种硒化钼中空微球

随后,作者研究了结构与电化学性能间的构效关系,对制备的不同内部结构的硒化钼微球进行了电催化析氢和钠离子电池性能研究。结果表明随着硒化钼从实心结构、核壳、蛋黄、再到中空结构的演变,其电催化析氢反应性能和钠离子电池性能均不断增加(图2)。这种结构依赖的电化学性能归因于:(1)随着实心到空心结构的变化,其内部空间结构不断增加,逐渐增大的内部空间有利于快速传质动力学;(2)从实心到空心结构的变化,比表面积不断增加,提供了更多的电化学活性位点;(3)随着从实心到空心结构的变化,结晶度的不断增强使得导电性不断增强。

溶解度参数指导的溶剂选择引发Ostwald Ripening制备中空结构及结构依赖的电化学性能

图2 不同内部结构硒化钼微球的电催化析氢和钠离子电池性能

该研究为Ostwald Ripening机制制备中空微/纳米结构提供了一个新的设计思路和可行性。

相关工作发表于Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 446-450,并被选为Back cover。

作者:Baoguang Mao, Donglei Guo, Jinwen Qin, Tao Meng, Xin Wang and Minhua Cao*。

原文链接如下,或点击下方“阅读原文”:

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201710378/full



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