Les matériaux carbonés de faible dimension (LDC), notamment le graphène et les nanotubes de carbone, ont attiré une attention considérable en raison de leur morphologie unique et de leurs propriétés électriques fascinantes. Cependant, ces matériaux sont généralement moins fonctionnalisés pour les applications électrochimiques. Il est donc crucial de concevoir une voie de synthèse ascendante pour les PMA, capable d'améliorer leurs propriétés électrochimiques et d'établir une relation structure-performance.
Actuellement, la plupart des méthodes ascendantes de synthèse des PMA nécessitent des précurseurs coûteux et des procédures de synthèse fastidieuses, ce qui entrave gravement leurs applications électrochimiques.
Dans une étude récente publiée dans Advanced Powder Materials , une équipe de chercheurs chinois a proposé une nouvelle voie pour construire des nanostructures de carbone 1D/2D avec des rapports d'aspect réglables et une teneur élevée en azote (N), en utilisant une source de départ unique de petite molécule-formamide.
Cette approche innovante conduit à la formation d’un (HCN)x polymérisé spécifique de type 1D, connu sous le nom de polyaminoimidazole (PAI). Les nanostructures de carbone à base de PAI cultivées de manière dimensionnelle peuvent ensuite subir une carbonisation pour obtenir des structures de carbone 1D ou 2D hautement dopées au N.
"La méthode de synthèse proposée dans cette étude est très conviviale, ce qui la rend adaptée à une utilisation à grande échelle en laboratoire et en milieu industriel", explique l'un des auteurs de l'étude, Guoxin Zhang, professeur de synthèse contrôlable de nanomatériaux de carbone à l'Université de Shandong. Science et technologie. "Les LDC dérivés du formamide présentent une teneur en N extrêmement élevée, dépassant 40 % atomique, telle que mesurée après avoir subi un traitement solvothermique."
Notamment, même après un recuit à des températures aussi élevées que 900 °C, plus de 10 % atomiques de la teneur en N sont conservés. "Cette découverte fascinante permet la conception d'un large éventail de fonctionnalités électrochimiques pour des applications de stockage d'énergie et de catalyse", a ajouté Zhang.
L’équipe a également fait une observation intéressante concernant l’ajout de mélamine, un composé comportant trois groupes amino s’étendant vers l’extérieur, lors du traitement solvothermique du formamide. En introduisant la mélamine comme « graine », elle a la capacité de transformer le modèle de croissance 1D original du formamide en une structure 2D, conduisant à la formation de fines couches de matériaux carbonés 2D.
L'étude montre que la croissance des matériaux carbonés de faible dimension (LDC) 1D et 2D suit une voie spécifique :(1) déshydratation du formamide en molécules de HCN, (2) polymérisation du HCN en tétramères et 12-mers ultérieurs (polyamines). , (3) décyanation des 12-mers, et enfin (4) cyclisation intramoléculaire.
La structure atomique précise du produit LDC peut être résolue à l'aide de la technologie de diffraction neutronique, permettant la détermination de la fonction de distribution de paires, comme illustré dans le graphique, qui correspond à la structure du polyaminoimidazole (PAI).
"Jusqu'à présent, il était difficile de cultiver directement des PMA avec une teneur aussi élevée en azote à des températures douces. Nos approches sont pionnières dans la synthèse contrôlable de nanocarbones à l'aide de petits éléments de base moléculaires", a déclaré l'auteur principal de l'étude, Zongge Li. "Ces matériaux peuvent être utilisés efficacement comme électrocatalyseurs pour une production économe en énergie de désinfectant au peroxyde d'hydrogène."
Plus d'informations : Zongge Li et al, Croissance en solution anisotrope de carbone riche en N 1D/2D, Matériaux en poudre avancés (2023). DOI :10.1016/j.apmate.2023.100138
Fourni par KeAi Communications Co.
