富勒烯微纳材料：回首与展望

来源：纳米人

核心内容：

1. 介绍了富勒烯微纳结构不同维度的结构特点，探究了成核与生长机理，分析了对形貌和性质影响因素。

2. 总结了富勒烯微纳结构在超级电容器和催化中的应用，并对其未来进行了展望。

富勒烯微纳结构

富勒烯（Fullerenes）是一类由 sp2杂化碳原子组成的零维共轭球形分子，具有明确的分子结构和奇特的物理化学性质，被广泛应用于光电、能源、生物和催化等领域。得益于富勒烯良好的溶解性，人们可以利用溶液法方便地制备富勒烯微/纳米结构（FMNSs），并通过改变富勒烯分子的排列方式对FMNSs的形貌和性质进行可控调节，而将富勒烯与其他材料（如卟啉和碳纳米管等）进行共组装，则可以制备出多种复合功能材料，它们在能量转换、能源存储、光电子学、磁性材料和生物医学等领域的应用也逐渐受到关注。 

成果简介

近日，在华中科技大学卢兴教授和陕西科技大学黄文欢副教授（共同通讯作者）带领下，博士生徐婷（第一作者）和博士后沈王强（共同一作）对FMNSs的可控合成及其在能源领域的应用进行了全面的总结。作者首先介绍了FMNSs的研究现状与进展，随后依据材料的不同维度，归纳了一维、二维和三维FMNSs的结构特点，并深入探讨了它们的形核与生长机理。随后，他们重点介绍了FMNSs在能源领域，如超级电容器、电催化和电池等方面的应用，就其电化学性能、优化策略、构效关系及未来挑战等方面进行了详细阐述。最后，他们对FMNSs的结构设计和发展前景进行了总结和展望。相关成果以题为“Fullerene Micro/Nanostructures: Controlled Synthesis and Energy Applications”发表在Materials Today Nano上。

要点1：富勒烯微纳结构调控

富勒烯微纳结构的形态可以通过调节实验参数控制，例如溶剂种类，良/不良溶剂的比例和结晶温度等。图1所示分别是在不同溶剂体系中形成的FMNSs。

图1. 利用溶液法制备的一维、二维和三维FMNSs。（a）一维C60纤维的SEM图；（b）二维Sc3N@C80微米片的SEM图；（c）三维Tb3N@C80微米立方体的SEM图。

要点2：富勒烯微纳结构在超级电容器中的应用

FMNSs可以通过热解等方式直接转变为具有共轭体系和大比表面积的多孔碳材料而保持其原始形态不变，这为构造能源器件提供了新的素材。同时，可以通过引入功能性官能团、掺杂其它元素原子或与其它材料复合来改善和提高FMNSs的性能。因此其在诸如超级电容器领域具有巨大的应用价值。图2所示即为FMNSs在超级电容器中的应用实例。

图2. FMNSs在超级电容器中的应用。（a）经高温碳化所得C60微米管的SEM图；（b）富勒烯/MnO2复合材料的充放电曲线（插图为复合材料的SEM图）；（c）KOH活化所得C70微米管的充放电曲线（插图为多孔材料的SEM图）。

要点3：富勒烯微纳结构在催化中的应用

高效催化剂的设计与制备对燃料电池和金属空气电池的发展和至关重要。同样的，调控FMNSs的形貌、掺杂异质原子和异质复合等常用策略可以使得修饰后的FMNSs展现出高效电催化性能，从而使得这类材料具备优秀的催化性能。图3所示为FMNSs在催化领域中的应用实例。

图3. FMNSs在催化领域中的应用。（a）介孔富勒烯C60材料的SEM图；（b）介孔富勒烯C60材料在不同转速下的ORR线性扫描曲线；（c）复合材料C60-SWCNT作为高效ORR/OER/HER催化剂。

小结

这篇综述回顾了FMNSs的合成策略及其最新研究进展，深入分析了在液/液界面法制备FMNSs过程中，溶剂种类、混合比例及结晶温度等因素对微纳形貌及性质的影响，重点讨论了FMNSs在能量储存和电催化过程中的潜在应用。通过合理的结构设计并结合高温碳化、表面修饰或异质掺杂等策略，FMNSs可以作为高效电极材料广泛应用于能源领域中。最后，作者对FMNSs的未来进行了展望，认为在以下三方面应重点突破：（1）采用先进的原位表征技术准确理解其形成过程和机理；（2）对FMNSs二级结构及其转变过程的研究；（3）发展经济高效的策略设计合成基于富勒烯的复合材料，优化其电化学性能并最终实现其应用。

参考文献

T. Xu, W. Shen, W. Huang, X. Lu, Fullerene micro/nanostructures: controlled synthesis and energy applications, Materials Today Nano 11 (2020) 100081

DOI：10.1016/j.mtnano.2020.100081

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2588842020300109