Advanced Science综述：空心碳纳米笼: 总体设计基础及多样化电化学应用

Li, Z., Li, B., Yu, C., Wang, H., & Li, Q. (2023). Recent Progress of Hollow Carbon Nanocages: General Design Fundamentals and Diversified Electrochemical Applications. Advanced Science, 2206605.

空心碳纳米笼(HCNCs)是一种新型的三维纳米结构碳材料，由具有亚微米间隙的弯曲碳纳米片组成，碳纳米片之间以石墨烯微晶体为结构单元相互连接。在碳纳米笼的外壳上存在着丰富的亚纳米通道(≈1 nm)或专门设计的纳米孔(1-10 nm)连接内外。与其他纳米碳材料不同，这种新型碳纳米笼材料具有内腔可用、微孔、中孔和大孔共存、比表面积高、易于掺杂和调制的特点。

此外，笼状碳纳米材料的弯曲纳米片结构可以有效降低碳层拱形结构导致的各向异性，避免层间滑移，保证结构稳定性。因此，具有良好尺寸结构和多孔结构的HCNCs可以极大地促进液-固、气-固电催化反应中物质的交换和转移，并有效地适应储能过程中的应变松弛，成为开发先进能量转换和储能功能的新平台。

空心碳纳米笼(HCNCs)是由sp2碳壳组成的空心内腔，其特点是在碳壳上有缺陷的微通道(或定制的介孔)、高比表面积和可调谐的电子结构，与其他纳米碳(如碳纳米管和石墨烯)有很大的不同。这些结构和形态特征使HCNCs成为先进电化学能量存储和转换的新平台。

本文综述了HCNCs的可控制备、结构调控和改性，以及其作为储能材料和电催化转化材料的电化学功能和应用。系统深入地综述了金属单原子功能化结构和电化学性能。展望了进一步深化和扩大空心碳材料的研究和应用所面临的挑战和发展趋势。多功能碳基复合纳米笼的研制为提高电化学储能转换器件的能量密度、功率密度和体积性能提供了新的思路和方法。

图1 本综述大纲

图2 HCNCs合成示意图

在这篇综述论文中，作者提供了一个清晰而全面的空心碳纳米笼(HCNCs)的定义:碳纳米笼是中空的碳纳米材料，具有独特的中空内部结构(包括瓶中船结构)，结构参数(石墨化程度、笼型大小、壳层厚度、壳孔结构和元素组成等)可调，纳米形态多样(如空心立方体、空心多面体、空心纳米或微米球，甚至不规则形态)。

要点二：介绍了“空心碳纳米笼”的制备方法和调控策略

综述了电化学储能与转换领域中HCNCs的制备、调控和改性等方面的研究进展。详细介绍了HCNCs的最新制备策略(如模板制备方法)。重点讨论了复合材料的结构调控和改性原理以及提高复合材料性能的方法。HCNCs的结构调控包括以下五个方面:

(1)晶体结构和石墨化程度调控，

(2)空腔尺寸和壳层厚度调控，

(3)孔隙结构和碳缺陷调控，

(4)分散性和聚集态调控，

(5)多空腔和多面体形态调控。

HCNCs的结构改造还包括五个方面:

(1)非金属杂原子掺杂，

(2)金属单/双原子掺杂，

(3)复合界面设计，

(4)瓶中容器结构设计，

(5)空间分离双功能设计改造。

要点三：总结了“空心碳纳米笼”的挑战

最后，总结了存在的挑战，并对HCNCs的新趋势和方向提供了一些见解。本文综述将为理解HCNCs提供新的见解，有助于相关领域的研究人员在先进电化学储能(超级电容器、金属离子电池、金属空气电池、金属硫电池)和转化(燃料电池电催化等电催化)中对HCNCs有更深入、更全面的认识。

Li, Z., Li, B., Yu, C., Wang, H., & Li, Q. (2023). Recent Progress of Hollow Carbon Nanocages: General Design Fundamentals and Diversified Electrochemical Applications. Advanced Science, 2206605.

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