碳基無(wú)金屬納米材料作為鉑族金屬的替代品，在催化關(guān)鍵的能量轉(zhuǎn)換反應(yīng)(如氧還原反應(yīng)(ORR)和析氫反應(yīng)(HER))方面受到人們的高度關(guān)注。在人們的努力下，通過(guò)誘導(dǎo)不對(duì)稱的電荷/自旋分布，在開(kāi)發(fā)以石墨烯和碳納米管(CNTs)為基礎(chǔ)的多種碳結(jié)構(gòu)作為優(yōu)秀催化劑方面取得了重大進(jìn)展。
相反，對(duì)其他形式的碳納米材料關(guān)注則少得多，例如碳納米洋蔥(CNO)，它由多個(gè)富勒烯狀的碳外殼以“俄羅斯套娃”的方式排列組成。它們獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，包括納米尺寸、各向同性均勻性和高度彎曲的表面，使得CNO成為最有吸引力和最有前途的無(wú)金屬電催化劑候選者之一。近日，華中科技大學(xué)盧興和郭昆等利用富勒烯分子作為種子耦合原位生成富含五邊形的石墨片，成功構(gòu)建富含缺陷的N摻雜CNO。具體而言，以C60富勒烯分子為犧牲種子，以三聚氰胺為主要原料，在較低溫度(≤900 °C)和常壓條件下制備出超細(xì)尺寸(≈5 nm)的CNO。在煅燒過(guò)程中，C60可以保留三聚氰胺衍生的石墨化碳氮化物在高溫(≥700 °C)下完全升華。由于N的去除和隨后五邊形生成，嚴(yán)重變形的石墨碎片連同解體的C60分子合并成具有高曲率的大尺寸納米片，最終形成N摻雜富含缺陷的CNO。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算表明，得益于多種結(jié)構(gòu)特征的成功集成，所制備的CNOs的ORR半波電位為0.853 VRHE，而且利用其組裝的鋅-空氣電池(ZAB)也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能；同時(shí)，邊緣、N摻雜和五邊形結(jié)構(gòu)都是導(dǎo)致高ORR活性的關(guān)鍵因素，并且在邊緣五邊形處摻雜的N將相鄰的C原子轉(zhuǎn)變成具有相對(duì)較低的O2吸附能壘的ORR活性位點(diǎn)，進(jìn)一步提高了催化活性。綜上，這項(xiàng)工作不僅提出了一種制備CNO的簡(jiǎn)便策略，而且還顯示出CNO作為高性能碳基無(wú)金屬電催化劑的巨大潛力。A Fullerene Seeded Strategy for Facile Construction of Nitrogen-Doped Carbon Nano-Onions as Robust Electrocatalysts. Advanced Functional Materials, 2023. DOI: 10.1002/adfm.202302100
