碳基材料中的雙金屬納米結(jié)構(gòu)可以克服能源材料的基本限制，這是單一材料無(wú)法獲得的。然而，它們的合成過(guò)程耗時(shí)且復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致相/界面偏析和金屬元素分布不均勻。在此，我們報(bào)告了一種簡(jiǎn)單的燃燒驅(qū)動(dòng)合成雙金屬Ag-Bi納米顆粒(NP)錨定碳納米管(CNT)電極。一步燃燒波通過(guò)由Ag
2O和Bi粉末組成的獨(dú)立薄膜，在碳納米管內(nèi)的硝化纖維素層可以在幾秒鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)高密度的熱化學(xué)反應(yīng)。快速的加熱-冷卻速率促使碳表面形成液化Ag-Bi，并捕獲亞穩(wěn)Ag-Bi相，從而合成粒徑較小(~20 nm)、分布密度高、固載于碳納米管上的Ag-Bi雙金屬納米顆粒。采用它們的超級(jí)電容器電極表現(xiàn)出出色的比電容和保留力(在2-5 mv vs 1時(shí)的比電容為1372-1093 Fg
-1，在100 mv vs
-1時(shí)循環(huán)10000次后的穩(wěn)定電容為101.3%)。這是因?yàn)锳g Bi雙金屬NPs直徑小，分布密度高，表面能低，具有較大的活性位點(diǎn)表面積，以及對(duì)CNTs的高度穩(wěn)定粘附。該合成策略可擴(kuò)展為一種可擴(kuò)展的制備多種多金屬納米結(jié)構(gòu)的方法，用于多用途電化學(xué)電極和催化劑。
圖1. 燃燒驅(qū)動(dòng)合成Ag - Bi雙金屬納米顆粒(NP)錨定碳納米管以及Ag和Bi在單一顆粒中均勻混合相的路線示意圖。
圖2 錨定在CNTs的Ag-Bi 納米顆粒的燃燒法原理。(a)由Ag
2O、Bi粉末和硝化纖維素組成的前驅(qū)體的制備，以及通過(guò)燃燒法制備的碳納米管上活性材料的產(chǎn)物。(b)由燃燒引起的熱化學(xué)反應(yīng)的實(shí)時(shí)溫度變化，導(dǎo)致1 s內(nèi)的快速加熱-冷卻。(c) Ag-Bi合金的二元相圖。(d)燃燒合成后Ag-Bi NP錨定CNT網(wǎng)絡(luò)的SEM圖像。
圖3.錨定在CNTs的Ag-Bi 納米顆粒的形態(tài)分析。 (a) Bi粉末、(b) Ag
2O粉末和(c) Bi - Ag
2O混合粉末在CNTs上的SEM圖像。(d) Bi粉，(e) Ag
2O粉，(f) Bi - Ag
2O混合粉燃燒合成后產(chǎn)物的SEM圖像。(g) Bi粉、(h) Ag
2O粉、(i) Bi - Ag
2O混合粉燃燒合成后的產(chǎn)物粒徑分布。
圖4. 錨定在CNTs的Ag-Bi 納米顆粒的組成分析。(a)半圓形超級(jí)電容器電極燃燒前后顏色變化的照片圖像。(b) Ag-Bi NPs雙金屬的TEM表征。(c)添加和不添加鉍粉燃燒合成后產(chǎn)物的分布和形貌比較。(d)固定在碳納米管上的單一雙金屬Ag-Bi納米顆粒的高分辨率TEM圖像的EDS圖。(e)從Bi和Ag
2O粉末到錨定在CNTs上的均勻分布的Ag-Bi雙金屬納米顆粒轉(zhuǎn)變機(jī)理示意圖。
圖5 錨定在CNTs的Ag-Bi 納米顆粒的物理化學(xué)表征。(a) Ag-Bi的XRD， (b) Bi， (c) Ag在CNTs上的XPS譜圖，(d) Ag - Bi雙金屬納米結(jié)構(gòu)的測(cè)量分析。(e)燃燒合成前后Ag
2O-Bi粉末和Ag-Bi雙金屬納米結(jié)構(gòu)的拉曼光譜。
相關(guān)科研成果由韓國(guó)高麗大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院Wonjoon Choi等人于2022年發(fā)表在Carbon (https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.07.003)上。原文：Combustion-driven synthesis route for bimetallic Ag–Bi nanoparticle-anchored carbon nanotube electrodes for high-performance supercapacitors。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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