宋怀河教授课题组 JMCA观点：“原位双模板策略”兼顾多孔炭孔结构和形貌控制- 大数跨境

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宋怀河教授课题组 JMCA观点：“原位双模板策略”兼顾多孔炭孔结构和形貌控制

科学材料站

2021-02-07

导读：本文以金属聚倍半硅氧烷作为前驱体，通过简单的热解炭化、去除模板的过程，构筑了超薄多孔炭片三维组装体，在电化学储钠方面表现出了优异的倍率性能和超长的循环寿命。

文章信息

“原位双模板策略”兼顾多孔炭孔结构和形貌控制

第一作者：林谢吉

通讯作者：宋怀河*，李昂*

单位：北京化工大学

研究背景

电化学储钠是未来储能材料对的重要发展方向，其中炭材料是最具有发展潜力的储钠负极材料。多孔炭材料因其分级孔道结构，优越的导电性被认为在快速充放电领域具有极大的应用研究前景。

目前多采用硬模板法、活化法等方法制备多孔炭材料，虽然制备得到的多孔炭材料具有丰富的孔结构和较高的比表面积等特点，但是复杂制备过程、模板和碳源之间的相容性也带来了一系列的问题。不仅如此，如何能够从单一前驱体出发同时控制产物孔结构和形貌仍然是一个挑战。

文章简介

近日，北京化工大学宋怀河教授课题组在期刊Journal of Materials Chemistry A (影响因子：11.301)上发表题为“Metallasilsesquioxanes Derived Ultrathin Porous Carbon Nanosheets 3D Architectures via “In-situ Dual Templating” Strategy for Ultrafast Sodium Storage”的研究工作。

以金属聚倍半硅氧烷（metallasilsesquioxanes）作为前驱体，通过简单的热解炭化、去除模板的过程，构筑了超薄多孔炭片三维组装体，在电化学储钠方面表现出了优异的倍率性能和超长的循环寿命。

该工作从单一的前驱体出发，实现了同时控制产物孔结构和产物形貌的作用，有效解决了目前制备多孔所存在的问题，同时也对扩展金属聚倍半硅氧烷的应用领域具有巨大的意义。

本文要点

要点一：金属聚倍半硅氧烷的多功能性与原位双模板策略制备过程

图1 超薄多孔炭片三维组装体的制备过程示意图。

充分利用金属聚倍半硅氧烷的有机无机杂化的性能特点，丰富的有机基团作用一种良好的炭源，无机Si-O-Si内核炭化过程中形成的氧化硅可以充当造孔剂，不仅如此，在热解过程中，倍半硅氧烷中的锂元素同氧化硅间的反应会原位形成硅酸锂纳米片，从而诱导碳纳米片的形成。

要点二：微观形貌表征

图2 超薄多孔碳纳米片三维组装体的SEM、TEM与AFM图像。

经过模板去除过程得到的产物形貌表现出一种片状三维组装体结构，高分辨透射电子显微镜结果表明在碳纳米片上存在丰富的纳米孔结构，并且AFM的结果证明了碳纳米片的厚度仅为4.5 nm。

要点三：电化学储钠性能

图3 超薄多孔碳纳米片三维组装体的储钠性能。

材料具有优异的电化学储钠性能。以超薄多孔碳纳米片组装体为工作电极，钠片为对电极，组装成钠离子电池，在0.1A g-1电流密度下具有348.5 mA h g-1，在10A g-1电流密度下仍然保持有230.5 mA h g-1，体现了材料优异的倍率性能。而且在5A g-1电流密度下循环2000次后，仍然具有210 mA h g-1，容量保持为91%，表现出优异的循环稳定性。

文章链接

Metallasilsesquioxanes Derived Ultrathin Porous Carbon Nanosheets 3D Architectures via “In-situ Dual Templating” Strategy for Ultrafast Sodium Storage

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta00178g#!divAbstract

通讯作者介绍

宋怀河教授.

宋教授于1997年在中科院山西煤化所获得博士学位，1997-1999于北京化工大学材料科学与工程学院从事博士后研究，1999年加入北京化工大学，现为北京化工大学材料科学与工程学院教授，担任《新型炭材料》和《炭素》杂志编委会委员。

宋教授自1990年以来一直从事先进炭及复合材料的研究与开发，在沥青基炭材料、炭纳米结构及纳米材料、储能炭材料和介孔炭材料等方面具有扎实的研究基础和经验，从事多项国家自然科学基金、国家863和省部级研究课题。在国内外学术期刊发表论文300余篇，被SCI收录200余篇，他引7000余次；在国内外学术会议发表论文200余篇，申报国家发明专利52项，已授权25项，通过省部级鉴定成果3项，省部级科技成果奖励2项，合著2部。

李昂讲师.

2010年在吉林大学获得学士学位，2017年在北京化工大学获得博士学位并从事博士后研究工作，现为北京化工大学材料学院讲师。主要研究方向包括：1.碳及无机纳米材料的合成、表征与形成机理研究；2. 绿色能源的转化与储存研究，如二次离子电池、光热材料和电催化等。共发表SCI论文30余篇，授权发明专利4项，主持和参加国家自然科学基金项目3项。

第一作者介绍

林谢吉，博士生，

2017年进入北京化工大学材料科学与工程学院宋怀河教授课题组。他主要从事基于聚倍半硅氧烷的碳基功能材料的合成与性能研究。

课题组介绍

本实验室主要开展先进炭材料的研究、开发与应用，包括沥青基炭材料、储能炭材料、多孔炭材料、纳米炭材料、高导热和高绝热炭基复合材料等。现有教授3人，副教授1人，讲师1人，博士7人，硕士57人。承担国家自然科学基金重点和面上项目共7项，企业合作研发项目8项，在JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、AFM, AEM, ESM，Chem. Mater.、Chem. Commun.、Carbon和J.Mater.Chem.等学术期刊上发表SCI论文230余篇，致力于沥青基炭材料、纳米炭材料等先进功能炭材料的制备和应用，特别是在绿色储能领域的应用，其中中间相微球在目前锂离子电池负极领域得到了广泛的商业化应用。此外，还在离子存储机理方面进行了深入研究，为锂、钠、钾离子电池和超级电容器的电极材料研发和应用提供了理论指导。