中国科学院长春应用化学研究所Small:从二维单纳米到多层微孔结构的钼-多巴胺配合物的形态演化与控制

中国科学院长春应用化学研究所Small:从二维单纳米到多层微孔结构的钼-多巴胺配合物的形态演化与控制【引言】

功能材料的可控合成在粒子组装领域已经引起了广泛的兴趣,但是对于粒子组装的基本认知大家还是了解甚少,尤其是有机-无机杂化材料的合成方面。以钼-聚多巴胺复合物为例,它的形态和中空结构可以通过选择不同的模板或改变溶剂比例来调节,但二维钼-聚多巴胺纳米片单个构建单元的分离和控制尚未被克服。在以前的工作中,发现钼-聚多巴胺的形态转变不仅与无机离子和有机配体的键合强度,反应物的浓度或表面活性剂的使用有关,还与反应物的随机性有关因此,如何增加合成中的熵是关键因素。受气泡模板法的启发,为了最大限度地提高反应体系的熵,本文使用十二烷基硫酸钠(SLS)作为表面活性剂和起泡剂实现了钼-聚多巴胺配合物花的可控合成,并且成功合成了组成此配合物花的二维纳米片。钼-聚多巴胺在不同条件下的反应会形成不同的形态,并进行表面迭代钼-聚多巴胺纳米片花瓣的拓扑生长。而钼-多巴胺复合物自组装成花结构可以归因于多核共生和结构自我保护的协同效应。得益于钼-聚多巴胺纳米片的结构稳定性,高温热处理后得到的MoO2量子点可以直接镶嵌在氮掺杂的二维碳框架中,这种材料应用在锂离子二次电池(LIB)负极中,表现出优异的电化学性能。这项工作增加了通过调节多核共生和抑制界面组装来实现有机-无机杂化材料可控合成的可能性。

【成果简介】

近日,中国科学院长春应用化学研究所王立民研究员(通讯)课题组在国际期刊Small上成功发表 “Morphology Evolution and Control of Mo-polydopamine Coordination Complex from 2D Single Nanopetal to Hierarchical Microflowers”的论文。第一作者孙连山博士。研究人员首次在室温下通过简便的方法合成了二维钼-聚多巴胺纳米片,并实现了不同程度的花状聚集体的控制。结合不同条件下片状结构的表面纹理和断裂以及形态演化,通过扫描电子显微镜(SEM)直接观察和结构自保护机制,确定了单花瓣迭代曲面拓扑生长机制促使钼-聚多巴胺分层结构的形成。此外,通过热处理制备了在N掺杂的2D碳骨架中原位嵌入的MoO2量子点(2-5nm)的纳米结构。与分层花相比,这种二维纳米片在用作锂离子二次电池(LIBs)的阳极时表现出优异电化学性能,在储能方面具有良好的应用前景。

图文解析

方案一,钼-聚多巴胺配合物的合成。中国科学院长春应用化学研究所Small:从二维单纳米到多层微孔结构的钼-多巴胺配合物的形态演化与控制    图1, A-C)SEM图像,D)TEM图像,E)FTIR图案,F)XRD图案和G)Mo-聚多巴胺纳米片的N2吸附-脱附等温线,插图是孔径分布。

中国科学院长春应用化学研究所Small:从二维单纳米到多层微孔结构的钼-多巴胺配合物的形态演化与控制    图2, A-C)300 mg SLS和不同浓度的MoO42-和多巴胺A) 0.25, B)0.285和C)0.33 g L-1 钼-聚多巴胺纳米片;不搅拌的情况下,0.33 g L-1 MoO42- 和不同量SLS D) 200mg,E)100mg, F)100mg钼-聚多巴胺花与;G)MoO42-和多巴胺聚合过程的分子式; H)Mo-聚多巴胺纳米片的生长模型; I)具有脆性断裂的Mo-聚多巴胺纳米片的TEM图像。中国科学院长春应用化学研究所Small:从二维单纳米到多层微孔结构的钼-多巴胺配合物的形态演化与控制    图3, MoO2/N/C纳米片A)XRD图,B)Mo 3d的XPS, C)N2吸附-脱附等温线,插图是孔尺寸分布,D,E)SEM图像和F,G)高分辨率TEM图像。中国科学院长春应用化学研究所Small:从二维单纳米到多层微孔结构的钼-多巴胺配合物的形态演化与控制    图4, A)MoO2/N/C纳米片的前五次CV曲线, B)MoO2/N/C纳米片,MoO2/N/C多层片和MoO2/N/C花的EIS,插图是等效的电路, C,D)MoO2/N/C纳米片,MoO2/N/C多层片和MoO2/N/C花的倍率和电流密度1 A g-1下的循环性能, E)电流密度 2 A g-1下, MoO2/N/C纳米片循环500次的性能。中国科学院长春应用化学研究所Small:从二维单纳米到多层微孔结构的钼-多巴胺配合物的形态演化与控制研究人员已经证明,通过抑制多核共生和泡沫法实现了以二维纳米片为单体的钼-聚多巴胺有机-无机配位花的可控合成。本文中不仅提出了从二维纳米片到分层微花的简单合成方法,通过反演法,这种花的形成机制也适用于大多数有机-无机分层材料的合成。此外,这种方法可以实现将MoO2量子点在N-掺杂碳骨架中的原位掺杂,所制备的钼-聚多巴胺配合物及其转化物在许多领域具有巨大潜力,特别是在催化剂和储能方面。该工作不仅提供一种简单的钼-聚多巴胺复合物的合成方法,而且还为混杂复合物或其他材料的可控合成提供了新的视角。

这项工作得到了国家自然科学基金(21373198和21521092)的支持。孙连山博士感谢中国博士后科学基金的资助(2017M611336)。

Lianshan Sun, Chunli Wang, Xuxu Wang, Limin Wang, Morphology Evolution and Control of Mo-polydopamine Coordination Complex from 2D Single Nanopetal to Hierarchical Microflowers, Small, DOI:10.1002/smll.201800090

团队介绍及相关工作汇总

研究组成立于2004年4月,隶属于中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室,主要从事稀土轻金属材料、准晶材料、储氢材料、多孔复合材料、二次电池材料、液流电池等方面的基础和应用研究,研究内容涵盖材料设计、制备技术/方法、结构表征、计算模拟、性能评价、材料应用等。

通讯作者介绍

王立民研究员,中国科学院长春应用化学研究所,中国科学院“百人计划”。近年,承担国家科技部“863”计划、国家自然科学基金、中国科学院重点项目,以及国内外合作项目等。在ACS Nano,  Acta Materials,  Advanced Functional Materials,  ACS Energy Letters,  Small, JMCA等国际一流期刊上发表论文50余篇。发表研究SCI论文300余篇,发明专利40余项,参与撰写科技专著3部。

课题组链接: http://reru.sklonline.cn/Group.asp ,微信公众号:轻金属与电池组CIAC”。

文献推荐

  1. Lianshan Sun*, Chunli Wang, Xuxu Wang, Limin Wang*, Morphology Evolution and Control of Mo-polydopamine Coordination Complex from Two-Dimensional Single Nanopetal to Hierarchical Microflowers, Small, 1800090, 2018.
  2. Lianshan Sun*, Chunli Wang, Limin Wang*, A kind of Coordination Complex Cement for the self-assembly of superstructure, ACS Nano, 12, 4, 4002-4009.
  3. Chunli Wang, Lianshan Sun, Feifei Zhang, Xuxu Wang, Qujiang Sun, Yong Cheng*, Limin Wang*, Formation of Mo-Polydopamine Hollow Spheres and Their Conversions to MoO2/C and Mo2C/C for Efficient Electrochemical Energy Storage and Catalyst. Small, 1701246, 2017.
  4. Chunli Wang, Lianshan Sun*, Xuxu Wang, Yong Cheng, Dongming Yin, Dongxia Yuan, Qian Li, Limin Wang*, Hierarchical Molybdenum Dioxide Microflowers Encapsulating Nickel Nanoparticles for High-Performance Lithium-Ion Battery Electrodes. ChemElectroChem, 2017, 4, 2915-2920.
  5. Lianshan Sun, Chunli Wang, Qujiang Sun, Yong Cheng, Limin Wang*, Self-Assembly of Hierarchical Ni-Mo-Polydopamine Microflowers and their Conversion to a Ni-Mo2C/C Composite for Water Splitting, Chem. Eur. J. 2017, 23, 4644 -4650.

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参考文献:Small