利兹大学《AM》多模态孔隙率/增强催化/微笼碳纳米管气凝胶

非金非土非木

2021年6月10日 09:44

【科研摘要】

分层多孔纳米碳组件的 3D 微结构、孔模态和化学功能的工程化新方法是开发下一代功能性气凝胶和膜材料的关键。最近，利兹大学 Robert Menzel 教授团队通过碳纳米管（CNT）的界面驱动组装用来制造具有高度受控内部结构的结构定向气凝胶，由伪单层CNT微笼组成。CNT Pickering 乳液能够在根本不同的长度尺度上进行工程设计，从而分别通过 CNT 类型、CNT 数密度和过程能量来分离和单独控制微孔率、中孔率和大孔率。

此外，金属纳米催化剂（Cu、Pd 和 Ru）通过优雅的升华和冲击分解方法嵌入到结构中；介绍了第一种方法，该方法可以使复杂的预先设计的气凝胶通过体积功能化而不会发生微观结构降解。在制药重要的酰胺化反应中探索了催化结构 - 功能关系；提供有关工程框架如何增强催化剂活性的见解。一系列先进的断层扫描、光谱和显微技术揭示了 CNT 构件的复杂 3D 组装及其对增强型纳米催化剂功能特性的影响。这些进展为以可控方式独立调节功能气凝胶材料的结构和化学奠定了基础，用于各种应用，包括能量转换和存储、智能电子产品和（电）催化。相关论文以题为 Engineering of Microcage Carbon Nanotube Architectures with Decoupled Multimodal Porosity and Amplified Catalytic Performance 发表在《 A dvanced Materials 》上。

【主图导读】

示意图1 具有微笼内部结构的均匀独立式纳米管气凝胶的乳液模板化制造 (O/W)。甲苯液滴模板形成纳米管微笼。乳液模板化的纳米管通过单向冷冻、冷冻干燥和热还原锁定到位。交联的 CNT 气凝胶表现出由 CNT 内腔（微孔率）、CNT 数密度（中孔率）和液滴尺寸（大孔率）的选择控制的解耦多峰孔隙率。

图1 乳液模板化 DWCNT 和 MWCNT 气凝胶的可调微笼内部结构。 A) DWCNT 气凝胶内部微笼结构的低倍 SEM 图像。B、C) 单个 DWCNT 微笼的更高放大倍数 SEM 图像，显示出相互连接的单层纳米管。D、E) 微笼壁中交织的 DWCNT 的 TEM 明场图像。F-J) 通过模板控制 (F) 实现工程大孔隙率，从而产生：大 (35 µm) (G,I) 和小 (3 µm) (H,J) 微笼，具体取决于乳化能量输入。

图2 通过保留结构的气相功能化方法，用“裸”金属 Cu-CuO 核壳 NPs（Cu@CNT 气凝胶）装饰 CNT 气凝胶。 A）典型的挥发性金属络合物前体（Cu（acac） ₂ ）升华-沉积到纳米管气凝胶框架上，然后热冲击前体分解成Cu-CuO核-壳NPs的示意图。B) 同步辐射源 X 射线吸收光谱和 C) Cu@DWCNT 气凝胶的 X 射线光电子能谱揭示了金属 Cu-CuO NPs 组成的理化信息。D) SEM 背散射电子模式 (BSE)。E,F) 明场 TEM 和 G) Cu@DWCNT 气凝胶的 STEM-EDX 图像显示了气凝胶微观结构的结构保存，Cu-CuO NP 分布。

图 3 用 Pd 和 Ru NPs 装饰的乳液模板纳米管气凝胶。 A) SEM (BSE 模式) 和 B) Pd@DWCNT 气凝胶的 SEM-EDX 元素映射。C) 低倍率明场 TEM 和 D) HR-TEM 显示 FCC 晶相中的平均 Pd NP 尺寸为 11 ± 2 nm。同样，E,F) Ru@DWCNT 气凝胶的 SEM-BSE 和 SEM-EDX 元素映射。G、H) 在 HCP 晶相中的平均 Ru NP 尺寸为 3 ± 2 nm，通过 TEM 确定。

图4 Cu@MWCNT 气凝胶的高级断层扫描表征。左）典型纳米管微笼的 X 射线 3D 和电子 2D (SEM) 图像的比较。中）X 射线纳米断层扫描正切片的高分辨率 3D 重建，揭示了高度均匀的微笼，而没有大的 Cu-CuO NPs。右）通过三个不同的正交平面对典型微笼进行多维分析，重申纳米管在乳液模板中采用的高度球形。

图5 用 Cu-CuO核-壳纳米粒子修饰的乳液模板CNT气凝胶的催化性能和溶剂诱导的收缩-膨胀循环。 A）氧化酰胺化模型反应中产物形成演变的比较，由负载在不同CNT粉末和气凝胶上的Cu-CuO催化剂诱导（Cu负载≈8wt%），揭示了在CNT气凝胶载体上Cu-CuO催化剂的增强性能 .B) 与不同 Cu@CNT 催化剂的未反应起始材料和副产物相比，基于形成的所需产物比例的选择性，突出了 Cu@DWCNT 气凝胶的优异催化活性。C）Cu@DWCNT 气凝胶在干燥和加入乙腈后的收缩-膨胀循环（重复 20 次）。

参考文献：

doi.org/10.1002/adma.202008307

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