空腔型纳米炭的制备与应用

doi:10.7503/cjcu20220637

摘要/Abstract

摘要：

空腔型纳米炭具有低密度、高表面积/体积比、较大的内部空间及可调的炭壳厚度和孔隙结构等特性, 在新材料和新能源等相关领域展现出巨大的应用潜力, 成为目前多孔炭材料研究的重要分支. 本文讨论了空腔型纳米炭的制备方法及其形貌结构的调控思路, 分析了不同方法的优缺点; 综合评述了其在能源存储、催化转化、吸附分离和生物医药领域的应用进展, 并对现存问题及发展趋势进行了总结与展望.

关键词: 纳米炭, 空腔, 制备方法, 应用

Abstract:

Hollow nano-carbons have been attracting great attention due to their unique features such as low density， high surface-to-volume ratios， adjustable internal cavity and pore structures， etc. Here， we provide an overview of the preparation methods of hollow nano-carbons， including confined nanospace pyrolysis， hard-templated method， soft-templated method and so on. The recent advances of their applications in energy storage， catalysis， adsorption and biomedicine are summarized. Finally， some challenges on the controllable synthesis as well as their practical applications are outlined and the perspectives are proposed.

Key words: Nano-carbon, Hollow structure, Preparation method, Application

中图分类号:

O614

TrendMD:

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图/表 23

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Fig.2 Illustration of the synthesis of internal gridded hollow carbon spheres(A), TEM images of solid carbon sphere(B), polymer/silica fence(C) and gridded hollow carbon sphere(D) [ 13]Copyright 2021， Tsinghua University Press and Springer-Verlag GmbH Germany.

Fig.3 Synthesis processes of hollow carbon nanospheres(A) [ 16], TEM images of HCF/SiO2 displaying the cavity and mesoporous shell(B), TEM images of S@HCF(C)(inset: shows the microporous shell), STEM images and linear EDX element distributions of HCF/SiO2(D), sulfur/HCF/SiO2(E), and S@HCF(F) [ 18]（A） Copyright 2013， Wiley-VCH；（B—F） Copyright 2018， Tsinghua University Press and Springer-Verlag GmbH Germany.

Fig.6 Diagram for the formation process of the coral⁃like carbon(A), relationship between the molar ratio of SiO2 to resorcinol and the total pore volume of the coral⁃like carbons(B) [ 28]Copyright 2014， American Chemical Society.

Fig.8 Illustration of the synthesis of the self⁃standing MnO@HCF electrode(A), SEM image of MnO2 nanofibers(B), TEM image of MnO@HCF⁃3(E), SEM and TEM images of MnO@HCF⁃1(C, F) and MnO@HCF⁃2(D, G) [ 42]Copyright 2020， Elsevier.

Fig.9 Schematic illustration of the synthetic route of the hollow carbon nanospheres(A), typical TEM image of the hollow carbon nanospheres obtained from large⁃scale synthesis(B), digital photograph of the product in the form of a powder(C) [ 47], schematic representation of the formation process of the spiral multi⁃shelled carbon nanospheres(MCN)(D), scanning TEM image(E), TEM image(G) and magnified TEM images of the MCN(F, H) [ 51]（A—C） Copyright 2018， Tsinghua University Press and Springer-Verlag GmbH Germany；（D—H） Copyright 2021， American Association for the Advancement of Science.

Fig.10 Scheme of the synthesis route for single⁃shelled and multishelled hollow carbon nanospheres(A), TEM images of solid 3⁃AF nanospheres before and after the inner part selectively dissolved(B, C) [ 61], formation procedure of the CoP/C nanoboxes(D) [ 65]（A—C） Copyright 2017， American Chemical Society；（D） Copyright 2018， American Chemical Society.

Fig.11 Schematic illustration of the fabrication of HMCNCs and SMCNCs(A), TEM images of HMCNCs(B) and SMCNCs(D), electron tomography slices of HMCNCs(C) and SMCNCs(E)(scale bar: 100 nm) [ 72], schematic illustration of the “stresses induced orientation contraction” mechanism for constructing the hollow structures(F), TEM images of ZIF⁃8@DA15 composite(G, H) and NC15⁃900 ℃(I, J) [ 73]（A—E） Copyright 2017， Wiley-VCH；（F—J） Copyright 2018， Wiley-VCH.

Fig.12 Schematic illustration of the in situ Stöber templating of hollow mesoporous carbon spheres(HMCS)[starting from two molecular precursors(DA and TEOS), under Stöber conditions](A) [ 81], schematic diagram illustration of the synthesis of carbonized polydopamine(CPDA) with multiple structures(B), SEM images of CPDA(C), bowl⁃like CPDA(D), hollow CPDA(E) and yolk⁃shell CPDA(F) [ 83]（A） Copyright 2016， the Royal Society of Chemistry；（B—F） Copyright 2021， Elsevier.

Fig.13 Scheme of the preparation process of HPCNFs(A), SEM images(B, C), TEM image(D) and high⁃resolution TEM image(E) of HPCNFs [ 93], schematic illustration of the preparation process of Co/Co3O4⁃Ni/NiO@MHCNFs catalyst(F), SEM images of Co/Co3O4⁃Ni/NiO@MHCNFs(G, H), SEM images of Co/Co3O4⁃Ni/NiO@HCNFs(I, J), SEM images of MHCNFs(K, L) [ 94]（A—E） Copyright 2016， the Royal Society of Chemistry；（F—L） Copyright 2022， Elsevier.

Fig.14 Schematic illustration of coelectrospinning of a PMMA PAN⁃tin octoate mixture in DMF using a single⁃needle nozzle(A), proposed synthetic scheme for Sn nanoparticles encapsulated in porous multichannel carbon microtubes(SPMCTs)(B) [ 96]Copyright 2009， American Chemical Society.

Fig.16 Schematic diagrams and TEM images of LRC nanofibers based on various PAN/PS mass ratio(A—D) [ 98], schematic diagram of the design strategy of ultraporous PI⁃based hollow CNFMs(E) [ 99]（A—D） Copyright 2015， Springer Nature；（E） Copyright 2022， Elsevier.

Fig.17 Schematic synthesis approach(A), photograph(B), and SEM images of CNT/HCF carbon film(C, D), long⁃term cyclability and Coulombic efficiency of CNT/HCF⁃S⁃1 at 0.2C(E) [ 101],（E） The insets are static adsorption test of CNT/HCF and c-CF with Li2S6 solution， and the photographs of CNT/HCF and c-CF films before and after subjected to vertical pressures.Copyright 2020， Tsinghua University Press and Springer-Verlag GmbH Germany.

Fig.18 Multishelled(from double⁃shelled to seven⁃shelled) hollow nanospheres through continuous growth cycles(A—F), EIS spectra(G) and cyclability tests(H) at 2C of representative samples including solid carbon nanospheres 1S⁃HCNs, 3S⁃HCNs, 5S⁃HCNs, respectively [ 61]Copyright 2017， American Chemical Society.

Fig.19 Mechanism diagram showing porous carbon microspheres with multiple effects for Li⁃S battery(A), SEM image of Co@N⁃HCMSs(B), TEM image of inner pores on Co@N⁃HCMSs(C), HRTEM image of Co@N⁃HCMSs(inset for SAED pattern)(D), rate performance of S/N⁃CMSs and S/Co@N⁃HCMSs cathodes at different rates from 0.1C to 4C(E), cycle performance of S/N⁃CMSs and S/Co@N⁃HCMSs cathodes at 0.2C(F) [ 109]Copyright 2021， Elsevier.

Fig.20 Schematic illustration of the fabrication process of the N, P, O ternary⁃doped hollow carbon microsphere based on single poly(cyclotriphosphazene⁃co⁃phloroglucinol)(PCPP) precursor(A), a plot of the specific capacitances calculated from the discharge curves versus current density(B), cycling stability of the NPO⁃HCS⁃950 at a current density of 20 A/g(the inset: first and last cycles of GCD curves)(C) [ 113]Copyright 2018， Elsevier.

Fig.21 Schematic illustration of the fabrication of Zn n Co5-n O x @carbon hollow capsules(A) [ 118], two⁃chamber reaction system(B), hydrogenation of alkenes over PdCu@HCS and PdCu/HCS for styrene(C), 2⁃vinylnaphthalene(D), 9⁃vinylanthracene(0.2 mmol substrate added)(reaction conditions: H2 balloon, 25 ℃, 30 mg of catalyst, 1 mmol of substrate, 0.5 mmol of dodecane as internal standard, 5 mL of ethanol as solvent)(E) [ 122], potential forming mechanism of the void⁃confinement effect(F) [ 123], a possible mechanism for the channel-induced furfural tandem hydrogenation over the Ru@Shell⁃HCSs nanoreactor via electronic and geometric microenvironment enhancement(G) [ 124]（A） Copyright 2019， Wiley-VCH；（B—E） Copyright 2020， Wiley-VCH；（F） Copyright 2021， Wiley-VCH；（G） Copyright 2022， Wiley-VCH.

Fig.22 Schematic diagram illustrating synthesis process of CN, PCN and HCN by varying amounts of KOH(A), N2 adsorption⁃desorption isotherms(B) and pore size distribution curves of CN, PCN and HCN(C), adsorption kinetics of ethanol with time evolution(D) and various VOCs at 50 min(E) [ 128]Copyright 2017， Elsevier.

Fig.23 Possible TC adsorption mechanism onto NHPC⁃2(A), effect of contact time on TC adsorption capacities of NPC, NHPC⁃1 and NHPC⁃2(B), effect of TC concentration on adsorption capacities of NPC, NHPC⁃1 and NHPC⁃2(C) [ 130]Copyright 2019， Elsevier.

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