第一作者：徐婷、沈王強(qiáng)
通訊作者：盧興、黃文歡
通訊單位：華中科技大學(xué)、陜西科技大學(xué)
核心內(nèi)容：
1. 介紹了富勒烯微納結(jié)構(gòu)不同維度的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，探究了成核與生長(zhǎng)機(jī)理，分析了對(duì)形貌和性質(zhì)影響因素。
2. 總結(jié)了富勒烯微納結(jié)構(gòu)在超級(jí)電容器和催化中的應(yīng)用，并對(duì)其未來進(jìn)行了展望。
富勒烯微納結(jié)構(gòu)
富勒烯（Fullerenes）是一類由 sp2雜化碳原子組成的零維共軛球形分子，具有明確的分子結(jié)構(gòu)和奇特的物理化學(xué)性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于光電、能源、生物和催化等領(lǐng)域。得益于富勒烯良好的溶解性，人們可以利用溶液法方便地制備富勒烯微/納米結(jié)構(gòu)（FMNSs），并通過改變富勒烯分子的排列方式對(duì)FMNSs的形貌和性質(zhì)進(jìn)行可控調(diào)節(jié)，而將富勒烯與其他材料（如卟啉和碳納米管等）進(jìn)行共組裝，則可以制備出多種復(fù)合功能材料，它們?cè)谀芰哭D(zhuǎn)換、能源存儲(chǔ)、光電子學(xué)、磁性材料和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸受到關(guān)注。
成果簡(jiǎn)介
近日，在華中科技大學(xué)盧興教授和陜西科技大學(xué)黃文歡副教授（共同通訊作者）帶領(lǐng)下，博士生徐婷（第一作者）和博士后沈王強(qiáng)（共同一作）對(duì)FMNSs的可控合成及其在能源領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了全面的總結(jié)。作者首先介紹了FMNSs的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展，隨后依據(jù)材料的不同維度，歸納了一維、二維和三維FMNSs的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并深入探討了它們的形核與生長(zhǎng)機(jī)理。隨后，他們重點(diǎn)介紹了FMNSs在能源領(lǐng)域，如超級(jí)電容器、電催化和電池等方面的應(yīng)用，就其電化學(xué)性能、優(yōu)化策略、構(gòu)效關(guān)系及未來挑戰(zhàn)等方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述。最后，他們對(duì)FMNSs的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和發(fā)展前景進(jìn)行了總結(jié)和展望。相關(guān)成果以題為“Fullerene Micro/Nanostructures: Controlled Synthesis and Energy Applications”發(fā)表在Materials Today Nano上。
要點(diǎn)1：富勒烯微納結(jié)構(gòu)調(diào)控
富勒烯微納結(jié)構(gòu)的形態(tài)可以通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)控制，例如溶劑種類，良/不良溶劑的比例和結(jié)晶溫度等。圖1所示分別是在不同溶劑體系中形成的FMNSs。
圖1. 利用溶液法制備的一維、二維和三維FMNSs。（a）一維C60纖維的SEM圖；（b）二維Sc3N@C80微米片的SEM圖；（c）三維Tb3N@C80微米立方體的SEM圖。
要點(diǎn)2：富勒烯微納結(jié)構(gòu)在超級(jí)電容器中的應(yīng)用
FMNSs可以通過熱解等方式直接轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂泄曹楏w系和大比表面積的多孔碳材料而保持其原始形態(tài)不變，這為構(gòu)造能源器件提供了新的素材。同時(shí)，可以通過引入功能性官能團(tuán)、摻雜其它元素原子或與其它材料復(fù)合來改善和提高FMNSs的性能。因此其在諸如超級(jí)電容器領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。圖2所示即為FMNSs在超級(jí)電容器中的應(yīng)用實(shí)例。
圖2. FMNSs在超級(jí)電容器中的應(yīng)用。（a）經(jīng)高溫碳化所得C60微米管的SEM圖；（b）富勒烯/MnO2復(fù)合材料的充放電曲線（插圖為復(fù)合材料的SEM圖）；（c）KOH活化所得C70微米管的充放電曲線（插圖為多孔材料的SEM圖）。
要點(diǎn)3：富勒烯微納結(jié)構(gòu)在催化中的應(yīng)用
高效催化劑的設(shè)計(jì)與制備對(duì)燃料電池和金屬空氣電池的發(fā)展和至關(guān)重要。同樣的，調(diào)控FMNSs的形貌、摻雜異質(zhì)原子和異質(zhì)復(fù)合等常用策略可以使得修飾后的FMNSs展現(xiàn)出高效電催化性能，從而使得這類材料具備優(yōu)秀的催化性能。圖3所示為FMNSs在催化領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)例。
圖3. FMNSs在催化領(lǐng)域中的應(yīng)用。（a）介孔富勒烯C60材料的SEM圖；（b）介孔富勒烯C60材料在不同轉(zhuǎn)速下的ORR線性掃描曲線；（c）復(fù)合材料C60-SWCNT作為高效ORR/OER/HER催化劑。
小結(jié)
這篇綜述回顧了FMNSs的合成策略及其最新研究進(jìn)展，深入分析了在液/液界面法制備FMNSs過程中，溶劑種類、混合比例及結(jié)晶溫度等因素對(duì)微納形貌及性質(zhì)的影響，重點(diǎn)討論了FMNSs在能量?jī)?chǔ)存和電催化過程中的潛在應(yīng)用。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并結(jié)合高溫碳化、表面修飾或異質(zhì)摻雜等策略，F(xiàn)MNSs可以作為高效電極材料廣泛應(yīng)用于能源領(lǐng)域中。最后，作者對(duì)FMNSs的未來進(jìn)行了展望，認(rèn)為在以下三方面應(yīng)重點(diǎn)突破：（1）采用先進(jìn)的原位表征技術(shù)準(zhǔn)確理解其形成過程和機(jī)理；（2）對(duì)FMNSs二級(jí)結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)變過程的研究；（3）發(fā)展經(jīng)濟(jì)高效的策略設(shè)計(jì)合成基于富勒烯的復(fù)合材料，優(yōu)化其電化學(xué)性能并最終實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
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
導(dǎo)師介紹
盧興：華中科技大學(xué)材料學(xué)院/副院長(zhǎng)，教授，入選中組部創(chuàng)新人才計(jì)劃并獲國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助。長(zhǎng)期從事富勒烯等新型碳材料的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)，在金屬雜化碳分子的精準(zhǔn)構(gòu)筑、化學(xué)改性與可控組裝等方面取得了系列有影響的結(jié)果。在J. Am. Chem. Soc.（19篇），Angew. Chem. Int. Ed.（15篇）和Chem. Sci. （8篇）等期刊發(fā)表論文130余篇，主編專著5部，參寫5部（章節(jié)），受邀撰寫綜述16篇。5次擔(dān)任國(guó)際會(huì)議（共同）主席，邀請(qǐng)報(bào)告及受邀講學(xué)數(shù)十次。獲得第十二屆“中華人民共和國(guó)駐日本大使獎(jiǎng)”和第七屆日本富勒烯學(xué)會(huì)“大澤賞”。
詳情見課題組主頁：http://carbon.mat.hust.edu.cn/
黃文歡：陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，副教授。2005-2014年就讀于西北大學(xué)并先后獲得學(xué)士和博士學(xué)位，2016-2017年在美國(guó)亞利桑那大學(xué)進(jìn)行合作研究，2017-2020年在中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所從事博士后研究。研究興趣為金屬有機(jī)框架及功能團(tuán)簇化合物的設(shè)計(jì)合成及其在催化、吸波、能源存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)換等方面的應(yīng)用。先后在Chemical Engineering Journal、Journal of Power Sources、Carbon、ACS Sustainable Chemistry & Engineering, Nanoscale、Chemistry-A European Journal、Inorganic Chemistry、Crystal Growth & Design等國(guó)際期刊上發(fā)表SCI論文30余篇，其中綜述3篇，高被引論文2篇。授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利3項(xiàng)。
