Formamid:En alsidig lille molekylær byggesten til syntetisering af stærkt N-doteret 1D og 2D kulstof

Lavdimensionelle kulstofmaterialer (LDC'er), herunder grafen og kulstofnanorør, har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed på grund af deres unikke morfologier og spændende elektriske egenskaber. Disse materialer er dog typisk mindre funktionaliserede til elektrokemiske anvendelser. Derfor er det afgørende at udtænke en bottom-up synteserute for LDC'er, der kan forbedre deres elektrokemiske egenskaber og etablere et struktur-ydelsesforhold.

I øjeblikket kræver de fleste bottom-up-metoder til syntese af mindst udviklede lande dyre prækursorer og kedelige synteseprocedurer, hvilket i høj grad hæmmer deres elektrokemiske anvendelser.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Advanced Powder Materials , foreslog et hold kinesiske forskere en ny rute til at konstruere 1D/2D kulstofnanostrukturer med justerbare aspektforhold og et højt nitrogenindhold (N) ved at anvende en enkelt startkilde til små molekyle-formamid.

Denne innovative tilgang fører til dannelsen af ​​en specifik 1D-type polymeriseret (HCN)x, kendt som polyaminoimidazol (PAI). De PAI-baserede kulstof-nanostrukturer dyrket på en dimensionel måde kan efterfølgende undergå karbonisering for at opnå stærkt N-doterede 1D- eller 2D-kulstofstrukturer.

"Den syntesemetode, der er foreslået i denne undersøgelse, er meget brugervenlig, hvilket gør den velegnet til opskalering i både laboratorie- og industrimiljøer," forklarer en af ​​undersøgelsens forfattere, Guoxin Zhang, professor i kontrollerbar syntese af kulstof-nanomaterialer ved Shandong University of Videnskab og teknologi. "LDC'erne afledt af formamid udviser et ekstremt højt N-indhold, der overstiger 40 atomprocent, målt efter at have gennemgået solvotermisk behandling."

Navnlig, selv efter udglødning ved temperaturer så høje som 900 °C, bibeholdes over 10 atomprocent af N-indholdet. "Denne fascinerende opdagelse muliggør design af en bred vifte af elektrokemiske funktionaliteter til applikationer inden for energilagring og katalyse," tilføjede Zhang.

Holdet gjorde også en interessant observation vedrørende tilsætning af melamin, en forbindelse med tre udadgående aminogrupper, under den solvotermiske behandling af formamid. Ved at introducere melamin som et "frø" har det evnen til at transformere det originale 1D-vækstmønster af formamid til en 2D-struktur, hvilket fører til dannelsen af ​​tynde lag af 2D-kulstofmaterialer.

Undersøgelsen belyser, at væksten af ​​både 1D og 2D lavdimensionelle kulstofmaterialer (LDC'er) følger en specifik vej:(1) dehydrering af formamid til HCN-molekyler, (2) polymerisation af HCN til tetramerer og efterfølgende 12-merer (polyaminer) , (3) decyanering af 12-mererne og endelig (4) intramolekylær cyklisering.

Den præcise atomare struktur af LDC-produktet kan opløses ved hjælp af neutrondiffraktionsteknologi, hvilket muliggør bestemmelse af parfordelingsfunktionen, som afbildet i grafen, som svarer til strukturen af ​​polyaminoimidazol (PAI).

"Indtil nu har det været udfordrende direkte at dyrke LDC'er med så højt nitrogenindhold ved milde temperaturer. Vores tilgange er banebrydende for den kontrollerbare syntese af nanocarboner ved hjælp af små molekylære byggesten," sagde studiets hovedforfatter, Zongge Li. "Disse materialer kan effektivt anvendes som elektrokatalysatorer til energieffektiv produktion af hydrogenperoxiddesinfektionsmiddel."

Flere oplysninger: Zongge Li et al, Anisotrop opløsningsvækst af 1D/2D N-rigt kulstof, Avancerede pulvermaterialer (2023). DOI:10.1016/j.apmate.2023.100138

Leveret af KeAi Communications Co.