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MOFs低温定向合成的碳纳米管

MOFs低温定向合成的碳纳米管

碳纳米管(CNTs)结构特殊、机械性能好和电子导电率高,被广泛用于各个领域。但是,CNTs制作成本高、能源消耗大和界限不明确。近期,武汉理工大学麦立强课题组的工作者们,设计了一种简单、通用、高效制备CNTs的方案,通过低温热解(430℃)金属有机框架(MOFs)定向合成CNTs。成果发表在J. Am. Chem. Soc.上(IF:13.858)


MOFs低温定向合成的碳纳米管

图1 从ZIF-67得到N-CNTs的空心12面体材料的合成和表征 (a) 合成流程图 (b-c) ZIF-67的SEM (b) 新制ZIF-67 (c) (b)在氩气下435℃烘0.5h (d) 8h (e-j) N-CNTs空心十二面体的SEM、TEM和HRTEM。


不同的MOFs晶体具有不同的晶型和组成,而选MOFs前驱体对形成CNTs至关重要。选择MOFs作为前驱体,作者通过多组实验总结出三个条件:(1)容易形成高催化活性的纳米晶体(2)富六原子的碳环或含氮杂环物质作为CNTs的基础有机配体(3)结晶度高。同时,控制热解时间和温度对CNTs的形成也相当重要,所以作者将温度选在MOFs的分解温度附近,降低分解的速率以获得较小的纳米晶体。

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图2 定向生长CNTs广泛的扩展 (a1) Co, Fe-ZIF前驱体的SEM (a2-a5) Co, Fe-ZIF衍生出N-CNTs的SEM、TEM和HRTEM (b1) Ni-ZIF前驱体的SEM (b2-b5) Ni-ZIF衍生出N-CNTs的SEM、TEM和HRTEM (c1) Co-BTC前驱体的SEM (c2-c5) Co-BTC衍生出N-CNTs的SEM、TEM和HRTEM (d1) Ni-BTC前驱体的SEM (d2-d5)Ni-BTC衍生出N-CNTs的SEM、TEM和HRTEM (e1) Co-MOF前驱体的SEM (e2-e5) Co-MOF衍生出N-CNTs的SEM、TEM和HRTEM  (f1) Co-ZIF-67@Zn-ZIF-8前驱体的SEM (f2-f5)Co-ZIF-67@Zn-ZIF-8衍生出N-CNTs的SEM、TEM和HRTEM

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图3 不同N-CNTs的表征 (a) C、O、N 在N-CNTs-435、N-CNTs-550、N-CNTs-650和N-CNTs-750中的含量 (b) N 1s的XPS结果谱图 (c) 对应不同种类的N (d) Co的XPS分析图谱 (e) UPS图谱 (f) N-CNTs发生氧化还原反应的简明示意图


此外,金属的掺杂直接影响到碳基材料的氧化还原反应能力。作者为进一步证明其结论,将Co3O4封装在N-CNTs内(Co3O4@N-CNTs)并作为锂离子电池负极材料,检测其电化学性能。材料在0.1A/g的电流密度下,循环250次后容量保持为1030mAh/g,是第二放电比容量的110%,而N-CNTs材料循环120次容量保持率仅为30%

作者给出的解释是,首先Co3O4@N-CNTs具有高达192 m2/g 的比表面积;其次Co3O4和N-CNTs缩短扩散路径,提高电子流动性从而提供更高的反应活性;最后N-CNTs中空的结构,可以适应离子脱嵌过程中大的体积变化和应力变化。


材料制备

文章涉及制备材料过多,此处不再详述,请自行下载原文观看

参考文献

Jiashen Meng, Chaojiang Niu, Linhan Xu, Jiantao Li, Xiong Liu, Xuanpeng Wang,Yuzhu Wu, Xiaoming Xu, Wenyi Chen,Qi Li,Zizhong Zhu, Dongyuan Zhao, Liqiang Mai,General Oriented Formation of Carbon Nanotubes from Metal−Organic Frameworks,J. Am. Chem. Soc.2017

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