苏大：批量低成本制备氮掺杂分层多孔碳纳米片，用于超级电容器

成果简介

具有高比表面积的多孔碳纳米片已经成为超级电容器最有希望的电极材料，但是它们的高孔体积导致相对较低的密度和较差的体积电容。 本文，苏州大学Chong Chen等研究人员 在《Carbon》期刊发表名为“Scalable synthesis of strutted nitrogen doped hierarchical porous carbon nanosheets for supercapacitors with both high gravimetric and volumetric performances”的论文， 研究通过新型的D-葡萄糖酸钙爆炸技术成功地按比例合成了支撑氮掺杂的分层多孔碳纳米片（SNPCNS），该碳纳米管具有通过支撑支撑的三维非聚集结构。

调节热解温度和时间，以及D-葡萄糖酸钙和脲甲醛树脂的质量比，以优化SNPCNS的比表面积，孔体积和电容性能。经过优化的SNPCNS具有高比表面积（539 m2g -1），表面杂原子丰富（N为8.1 at。％）和高密度（1.11 g cm -3）。因此，由SNPCNS电极组装的超级电容器具有非常高的重量/体积电容，分别为286Fg-1/317Fcm-3（在6MKOH中）和355Fg-1 / 394Fcm-3（在1 MH 2中）所以4）。重要的是，实现了重离子/体积能量密度（在离子液体中）为40.5 W h kg -1 /44.9 W h L -1（在离子液体中），优于先前报道的基于碳纳米片的对称超级电容器。这项工作为大规模和低成本生产用于能量存储的高性能多孔碳纳米片提供了新的策略。

图文导读

图1。氮掺杂分层多孔碳纳米片的合成示意图。

图2。SNPCNS-1：1-800-2h的（ab）SEM图像，（ce）TEM图像，（f）AFM图像和（gi）EDX元素映射图像。

图3。（a）XPS调查，（b）SNPCNS-1：1-800-2h的C1s，（c）N1s和（d）O1s光谱。

图4。SNPCNS材料通过热膨胀和热解转化制备过程的示意图。

图5。（a）20 mV s -1时的CV曲线，（b）1 A g -1时的GCD曲线，以及（c）SNPCNS样品在6 M KOH溶液中的体积电容。（d）在6 M KOH溶液中SNPCNS-1：1-800-2h的GCD曲线。（e）SNPCNS-1：1-800-2h在1 MH 2 SO 4和6 M KOH溶液中的奈奎斯特图。（f）SNPCNS-1：1-800-2h电极的重量/体积电容与其他报道的碳电极的比较。

图6。SNPCNS-1：1-800-2h在6 M KOH和[EMIm] NTf 2电解质中的电化学性能。

小结

总之，开发了一种D-葡萄糖酸钙爆炸技术，可以轻松而可规模地合成一种支链的氮掺杂分层多孔碳材料。 SNPCNS的高产量生产和出色的电容性能使其能够在超级电容器中进行大规模应用。

文献:

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.04.062

本文要点：

成果简介

合理地在多孔碳骨架中引入固有缺陷是扩大碳材料利用范围的迫切需要，但这仍然是一个挑战。 本文，中国石油大学（北京）李永峰教授团队在《Carbon》期刊 发表名为“Intrinsic defect-rich porous carbon nanosheets synthesized from potassium citrate toward advanced supercapacitors and microwave absorption”的论文， 研究提出一种简单而有效的策略，通过使用柠檬酸钾作为唯一原材料，在密封管 (S-PCN) 中制造富含内在缺陷的多孔碳纳米片。

密封管内的内压会导致内在缺陷的形成，缺陷的密度可以通过密封管的体积来调节。获得的 S-PCN 给出了具有均匀分布的固有缺陷的合理组织的孔隙结构。受益于重新分布的表面电荷、增强的润湿性和电化学表面积，-1在 50 kW kg -1 的超高功率密度下。此外，高密度的固有缺陷也会带来很强的极化损耗，平衡阻抗匹配。因此，即使使用 5 wt% 的超低填料负载，作为电磁波吸收剂的最佳 S-PCN 也表现出高达 -58.2 dB 的最大反射损耗，这意味着几乎所有入射微波都可以被有效消耗。

图文导读

图1。(a) S-PCN 合成及其双重应用的示意图。

图2。(a) K 2 CO 3 @O-HCC、(b, c) O-HCC、(d) K 2 CO 3 @S-PCN-3 和 (e, f) S-PCN-3 的SEM 图像；(g) TEM 图像，(h) HRTEM 图像，和 (i) O-HCC 的 SAED 图案；(j) TEM 图像、(k) HRTEM 图像和 (l) S-PCN-3 的 SAED 图案。

图3。(a) 拉曼光谱，(b) C 1s 光谱，(c) EPR 光谱，(d) 动态水接触角测量，(e) 氮吸附-解吸等温线，以及 (f) O-HCC 和S-PCNs，插图（f）中孔分区的扩大。

图4。样品在三电极系统中的电化学性能。

图5。SC的电化学性能。

图6。(a) O-HCC、(b) S-PCN-1、(c) S-PCN-2 和 (d) S-PCN-3 的反射损耗曲线。(e) 介电损耗角正切和 (f) O-HCC 和 S-PCN的 Z in -1的模量。(g) S-PCN-3 MA 性能与最近报道的吸收剂的比较

小结

总之，通过在密封管中直接热解柠檬酸钾，成功制备了富含本征缺陷的多孔碳纳米片。 这项工作可能为生产富含内在缺陷的多孔碳材料提供新的见解。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.06.072

聚焦离子束扫描电镜双束系统（FIB-SEM）是在SEM的基础上增加了聚焦离子束镜筒的双束系统，同时具备微纳加工和成像的功能，广泛应用于科学研究和半导体芯片研发等多个领域。本文记录一下FIB-SEM在材料研究中的应用。

以目前实验室配有的FIB-SEM的型号是蔡司的Crossbeam 540为例进行如下分析，离子束最高成像分辨率为3nm，电子束最高分辨率为0.9nm。该系统的主要部件及功能如下：

1.离子束： 溅射（切割、抛光、刻蚀）；刻蚀最小线宽10nm，切片最薄3nm。 

2.电子束 ： 成像和实时观察

3.GIS(气体注入系统)： 沉积和辅助刻蚀；五种气体：Pt、W、SiO2、Au、XeF2(增强刻蚀SiO2)

4.纳米机械手：  转移样品 

5.EDS： 成分定量和分布

6.EBSD ： 微区晶向及晶粒分布

7.Loadlock（样品预抽室）： 快速进样，进样时间只需~1min

由上述FIB-SEM的一个部件或多个部件联合使用，可以实现在材料研究中的多种应用，具体应用实例如下：

图2a和b分别是梳子形状的CdS微米线的光学显微镜和扫描电镜照片，从光学显微镜照片可以看出在CdS微米线节点处内部含有其他物质，但无法确定是什么材料和内部形貌。利用FIB-SEM在节点处定点切割截面，然后对截面成像和做EDS mapping，如图2c、d、e和f所示，可以很直观的得到在CdS微米线的节点处内部含有Sn球。

FIB-SEM制备TEM样品的常规步骤如图3所示，主要有以下几步：

1）在样品感兴趣位置沉积pt保护层

2）在感兴趣区域的两侧挖大坑，得到只有约1微米厚的薄片

3）对薄片进行U-cut，将薄片底部和一侧完全切断

4）缓慢移下纳米机械手，轻轻接触薄片悬空的一端后，沉积pt将薄片和纳米机械手焊接牢固，然后切断薄片另一侧，缓慢升起纳米机械手即可提出薄片

5）移动样品台和纳米机械手，使薄片与铜网（放置TEM样品用）轻轻接触，然后沉积pt将薄片和铜网焊接牢固，将薄片和纳米机械手连接的一端切断，移开纳米机械手，转移完成

6）最后一步为减薄和清洗，先用大加速电压离子束将薄片减薄至150nm左右，再利用低电压离子束将其减薄至最终厚度（普通TEM样品<100nm，高分辨TEM样品50nm左右，球差TEM样品<50nm）

一种如图4a所示的MoS2场效应管，需要确定实际器件中MoS2的层数及栅极（Ag纳米线）和MoS2之间的距离。利用FIB-SEM可以准确的在MoS2场效应管的沟道位置，垂直于Ag纳米线方向，提出一个薄片，并对其进行减薄，制备成截面透射样。在TEM下即可得到MoS2的层数为14层（图4c）， Ag纳米线和MoS2之间的距离为30nm（图4b）。

图5是一种锰酸锂材料的STEM像，该样品是由FIB-SEM制备，图中可以看到清晰的原子像。这表明FIB-SEM制备的该球差透射样非常薄并且有很少的损伤层。

FIB-SEM还可以进行微纳图形的加工。

图6a 是FIB-SEM在Au/SiO2上制备的光栅，光栅周期为150nm，光栅开口为75nm。

图6b 是利用FIB-SEM在Mo/石英上做的切仑科夫辐射源针尖，针尖曲率半径为17nm。

图6c 是在Au膜上加工的三维对称结构蜘蛛网。

图6d 是FIB-SEM在硅上刻蚀的贺新年图案，图中最小细节尺寸仅有25nm。

FIB-SEM可以对材料进行切片式的形貌和成分三维重构，揭示材料的内部三维结构。大概过程如图7a所示， FIB切掉一定厚度的样品，SEM拍一张照片，重复此过程，连续拍上百张照片，然后将上百张切片照片重构出三维形貌。图7b是一种多孔材料内部3×5×2um范围的三维重构结果，其实验数据是利用FIB-SEM采集，三维重构是利用Avizo软件得到，其分辩率可达纳米级，展示了内部孔隙的三维空间分布，并可以计算出孔隙的半径大小、体积及曲率等参数。

利用FIB-SEM配有的纳米机械手及配合使用离子束沉积Pt，可以实现微米材料的转移，即把某种材料从一个位置（衬底）转移到特定位置（衬底），并固定牢固。图8是把四针氧化锌微米线从硅片转移到两电极的沟道之间，从而制备成两个微米线间距只有1um的特殊器件。

最后，FIB-SEM还有很多其他的应用，例如三维原子探针样品制备，芯片线路修改等。总之FIB-SEM是材料研究中一个非常重要的手段。

不积珪步，无以至千里；不积细流，无以成江海。做好每一份工作，都需要坚持不懈的学习。

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