[交大智慧]上海交大团队合成新型多级结构碳材料研究获突破性进展[图]

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日前，上海交通大学化学化工学院冯新亮教授、吴东清副教授研究团队（课题组网站：http://afo.sjtu.edu.cn）在合成新型多级结构碳材料方面的研究工作取得突破性进展，相关成果发表在在国际著名材料期刊《Advanced Materials》上（题为“Nitrogen-Doped Porous Carbon Superstructures Derived from Hierarchical Assembly of Polyimide Nanosheets”）。

由碳纳米管和石墨烯等低维碳材料构筑的多级结构碳材料不仅可以继承其构筑单元的优异物理化学性质，还能避免它们的团聚或堆叠，有效地提高材料的表面积，使其活性位点充分暴露，从而大幅提升材料的性能，在能源领域（如燃料电池，超级电容器，锂离子电池等）有着诱人的应用前景。然而，多级结构碳材料的构筑单元目前仍主要局限于石墨烯、碳纳米管或碳纤维等，对于其结构、组成和性能的调节和控制也因而受到限制。因此，开发多级结构碳材料的新结构概念和制备方法将会是丰富其种类和拓展其应用的关键。  

针对这一点，研究团队设计了独特的溶液自组装路线，以聚酰亚胺（PI）为原料，通过调节溶剂和浓度等条件，制备了由二维片状PI组成的具有花状形貌的多级结构聚合物。在经过碳化/氨气活化等步骤处理后，可以进一步得到保留了原有花状多级结构的氮掺杂碳材料（NPC-F）。得益于高表面积，高氮掺杂量以及自支撑的三维多级结构，NPC-F不仅展现出优异的氧还原电催化性能，在作为超级电容器的电极材料时也表现出高的容量以及超稳定的循环性能。    

该工作不仅成功制备了具有新颖多级结构的高性能碳材料，也为从分子设计角度构筑多级结构碳材料提供了新思路。    

原文链接：http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/adma.201505131/full

背景知识：聚酰亚胺（Polyimide, PI）是指主链上含有酰亚胺环（-CO-NH-CO-）的一类聚合物。聚酰亚胺具有优异的性能，如耐热/寒稳定性、电绝缘性、耐辐射性、耐化学腐蚀性，被用于制备薄膜，纤维，涂料，先进复合材料，微电子器件，受到各行各界的广泛关注，成为了一类非常重要的材料。由于突出的热稳定性，聚酰亚胺常用于制备碳材料和石墨材料，如高度结晶的石墨薄膜，碳纳米纤维，纳孔碳膜，碳泡沫等。