控制单个颗粒内部组分高效制备复杂空心碳球用于储钾

纳米空心碳球集碳材料、空心结构和球形结构优点于一体，具有独特的理化性能，如导电性优异、抗腐蚀强、结构规整并具有较大的比表面积等。基于独特的结构和性能，纳米空心碳球在催化、能量转换/储存、生物医药和吸附等领域具有较为广阔的应用前景。在纳米空心碳球应用的过程中，结构、形貌及表面化学成分等理化指标对其性能发挥的影响较大。目前制备纳米空心碳球的方法和技术极其有限，主要依赖工艺冗长、污染严重且缺乏控制和构筑复杂结构能力的模板法，极大地限制了纳米空心碳球的规模化生产及结构调控。因此，开拓一种价格低廉、绿色高效且具备调控其结构形貌的制备方法，是推进纳米空心碳球规模化应用及进一步提升其性能的必经之路。

为了解决上述难题，中科院化学研究所的曹安民研究员（点击查看介绍）、万立骏院士（点击查看介绍）课题组基于对纳米颗粒生长过程中内部化学组分分布不均一性的发现，通过控制纳米颗粒生长动力学调控纳米颗粒内部化学组分的分布，然后选择性去除纳米颗粒内部的组分，最后实现复杂空心碳球的高效制备及结构调控。研究人员以碳前驱体3-氨基苯酚/甲醛反应为例，通过控制反应温度、反应单体的浓度、聚合的溶剂等参数，实现了对纳米树脂球内部物质分子量分布的控制，使其形成形状相似但内部化学组分差异化的纳米球。他们进一步选择合适的溶剂如丙酮，将所得到的树脂纳米球内分子量低的部分进行选择性溶解，就可得到一系列的空心结构，包括复杂多层空心、蛋黄-外壳、多层介孔空心结构及空心管结构；进一步碳化后，他们就可得到目标产物空心纳米碳球。

各类空心碳结构制备的示意图

复杂结构空心树脂球的形貌

研究人员还从不同的分子模型出发，结合理论计算，对树脂球内部的不均一性生产进行了研究。结果发现，颗粒内部化学组分的不均一性与反应物酚类单体分子苯环上活性位点的电子云密度有关；只有具备较快反应速率的分子单体才能形成一定的反应梯度，使形成的树脂球形成内外组分的差异。

接下来，他们通过调控反应参数，如反应单体的浓度，实现了一步法合成yolk-shell结构、乙醇/水混合溶剂合成介孔结构，还可以在酚醛聚合过程中原位负载金属纳米颗粒如Ag，形成金属负载的空心结构。

不同空心纳米结构形貌的控制，其中图d为纳米Ag负载的空心结构

最后，研究人员展示了所制备的空心碳球在钾离子电池负极中具有较广阔的应用前景，表现出优异的可逆容量、倍率性能及循环稳定性。

多层空心碳球用于钾离子电池的负极

该工作促进了纳米空心碳结构快速可控制备技术的发展，进一步推进资源丰富型钾离子电池的应用。相关成果发表在Journal of the American Chemical Society 上，通讯作者为中科院化学研究所的曹安民研究员及万立骏院士。

该论文作者为：De-Shan Bin, Zi-Xiang Chi, Yutao Li, Ke Zhang, Xinzheng Yang, Yong-Gang Sun, Jun-Yu Piao, An-Min Cao and Li-Jun Wan

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Controlling the Compositional Chemistry in Single Nanoparticles for Functional Hollow Carbon Nanospheres

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 13492, DOI: 10.1021/jacs.7b07027

团队介绍

曹安民，研究员，2006年在中国科学院化学研究所获得博士学位，2007年至2012年先后于美国匹兹堡大学及德州大学奥斯汀分校从事博士后研究，2012年4月加入中科院化学研究所分子纳米结构与纳米技术重点实验室担任研究员；主要从事与超稳定纳米结构调控相关的课题，长期致力于二次可充放电池（锂离子、钠离子、钾离子）正极材料表界面结构的控制及稳定性的提升、负极空心结构的设计及功能化；近年来已有多项成果发表在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Mater. 等国际著名期刊。

曹安民

http://www.x-mol.com/university/faculty/15511

万立骏

http://www.x-mol.com/university/faculty/15504