Nature:微孔3D石墨烯样沸石模板碳框架有极高的电导率
本文主要报告了使用导电原子力显微镜（C-AFM）和理论计算研究的Y沸石（LaY）模板中使用镧（La）催化合成形成的微孔3D石墨烯样碳有显着的高电导率。为了揭示局部电导与微孔结构之间的关系，通过改变加热温度来调整LaY模板碳体系的晶体学顺序。在较高温度下制备的LaY模板碳的结构具有石墨烯样sp2杂交键，这是使用高分辨率透射电子显微镜和X射线衍射测量证实的。
沸石模板碳（ZTC）现在被认为是极有希望作锂电池，超级电容器和燃料电池的电极材料。在电池和超级电容器应用中，即使在高电流密度条件下，ZTC电极也可以表现出高比电容，因为3D连接和有序孔网络，这促进了电解质离子的快速传输。在燃料电池应用中，ZTC的新型结构对于加载高分散度的大量Pt催化剂非常有效，导致电催化氧化还原反应的高活性。与ZTC的结构特性不同，电导是电气应用中高性能的另一个关键物理特性。
通过La3+交换的Y（LaY）沸石中的乙烯碳化制备三种类型的碳材料。对于两个碳样品（C500-HT和C650-HT），分别在500和650℃下进行碳沉积，随后在900℃，干燥N 2流下进行热处理。使用乙烯CVD在650℃下合成另一样品（C650），不进行后续的热处理。图 1显示了模板去除后最终碳产物的X射线衍射（XRD）图谱和透射电子显微镜（TEM）图像。两者C500-HT和C650-HT样品在2表现出良好分辨XRD峰θ =6.4°（图 1A）。该XRD峰位置与LaY沸石的（111）衍射几乎相同。因此，C650-HT和C500-HT的XRD图谱表明沸石孔结构被碳框架成功复制。
图1
LaY沸石模板化碳的结构。（a）在不同合成条件下使用LaY沸石作为模板获得的碳样品的XRD图和（b - d）TEM图像：（b）C650-HT，（c）C500-HT和（d）C650。
为了研究LaY模板碳的导电性，利用C-AFM，因为它具有局部探测的能力，并且在环境条件下获得形态和电学性能。图2a表示使用具有Pt /Ir金属涂覆尖端的C-AFM在云母基底上测量Au（111）（100nm厚度）的C650-HT局部电导率。形态表示在碳分散的异丙醇滴落后，在Au（111）表面上随机堆叠的LaY-模板碳（亮部分）（图2b）。层叠的C650-HT的高度和宽度分别为约300nm和2μm（图 2c）。图2d示出了在具有Au（111）作为参考的C650-HT上测量的代表性电流 - 电压（I-V）曲线。在Au（111）表面（3.5×10-4 Ω-1）示出了电流流动比C650-HT。此外，我们测量了白色正方形点处的局部I-V曲线，从左（第一点）到右（第十五点）沿着红色虚线箭头的方向移动，如图2b所示。位置1-4和13-15显示Au（111）表面，其他位置（即5-12）显示C650-HT。如图2e所示，C650-HT和Au（111）表面的电导率似乎不可区分，因为来自湿化学工艺和空气的Au（111）表面污染可导致局部电导率的变化和降低 。然而，C650-HT一直显示出高电导率。
图2
热处理LaY沸石模板碳的电导率。（a）使用具有Pt / Ir金属涂覆尖端的C-AFM在云母基底上测量Au（111）（100nm厚度）的C 650-HT局部电导率。（b）在Au（111）上的（2.5×6.8um2）C650-HT的形态。（c）（b）中沿白色实线的高度线轮廓。（d）在C650-HT和Au（111）上测量的I-V曲线，空气中具有±1V的尖端扫描偏压。（e）在13nN 的施加载荷下，（b）中的白点测量的C650-HT和Au（111）表面的局部电导率。数字中的红色虚线箭头（b）表示I-V测量的方向和顺序。
图3a示出了Au（111）衬底上的C650的形貌。通过扫描电子显微镜（SEM）成像也证实了LaY-模板化碳在Au（111）表面上的形态和分散性，图3b中的线轮廓分别表示约600nm和约1.5μm的高度和宽度。C650和Au（111）的典型I-V曲线如图3d所示 。图3d中的插图显示C650放大的I-V曲线。此外，图3c示出了如图3a中标示的在白色正方形点测量的C650和Au（111）的局部电导，沿着红色虚线箭头的方向从左向右移动。位置1-7和13位于Au（111）表面上，位置8-12位于C650上。C650和Au（111）之间的电导差异非常明显。在I-V曲线测量之前和之后，在Au（111）上观察到C650的形貌，以比较碳的形态和位置。
图3
不经热处理的LaY沸石模板碳的电导率。（a）在Au（111）上的4.2×4.2μm2 C650的形貌。（b）沿着（a）中白色实线的高度线轮廓。（C）在(a)的白色点的表面测定C650和Au（111）的局部电导率。（d）在13nN的施加载荷下在C650和Au（111）上测量的I-V曲线。插图显示C650放大的I-V曲线。（a）中数字的红色虚线箭头表示I-V测量的方向和顺序。
图4显示了三种不同的LaY模板碳样品和Au（111）的电导率作为参考的比较。C650-HT电导率明显高于C650和C500-HT，而C500-HT电导率相对较高。
图4
使用13nN的施加载荷测量作为合成温度和热处理作用的LaY模板碳的电导。C650-HT，C650，C500-HT和Au（111）的粘附力（有效载荷）分别为15.6 nN（28.6 nN），24.3nN（37.3 nN），18.2 nN（31.2 nN）和50 nN（63 nN）。