Los materiales de carbono de baja dimensión (PMA), incluidos el grafeno y los nanotubos de carbono, han atraído una atención considerable debido a sus morfologías únicas y sus intrigantes propiedades eléctricas. Sin embargo, estos materiales suelen estar menos funcionalizados para aplicaciones electroquímicas. Por lo tanto, es crucial idear una ruta de síntesis ascendente para los PMA que pueda mejorar sus propiedades electroquímicas y establecer una relación estructura-rendimiento.

Actualmente, la mayoría de los métodos ascendentes para la síntesis de los PMA exigen precursores costosos y procedimientos de síntesis tediosos, lo que impide gravemente sus aplicaciones electroquímicas.

En un estudio reciente publicado en Advanced Powder Materials , un equipo de investigadores chinos propuso una ruta novedosa para construir nanoestructuras de carbono 1D/2D con relaciones de aspecto ajustables y un alto contenido de nitrógeno (N), empleando una única fuente inicial de molécula pequeña:formamida.

Este enfoque innovador conduce a la formación de un polimerizado de tipo 1D específico (HCN)x, conocido como poliaminoimidazol (PAI). Las nanoestructuras de carbono basadas en PAI cultivadas de manera dimensional pueden someterse posteriormente a carbonización para obtener estructuras de carbono 1D o 2D altamente dopadas con N.

"El método de síntesis propuesto en este estudio es muy fácil de usar, lo que lo hace adecuado para su ampliación tanto en laboratorio como en entornos industriales", explica uno de los autores del estudio, Guoxin Zhang, profesor de síntesis controlable de nanomateriales de carbono en la Universidad de Shandong de Ciencia y Tecnología. "Los PMA derivados de la formamida exhiben un contenido de N extremadamente alto, superior al 40 por ciento atómico, medido después de someterse a un tratamiento solvotérmico".

En particular, incluso después del recocido a temperaturas de hasta 900 °C, se retiene más del 10 por ciento atómico del contenido de N. "Este fascinante hallazgo permite el diseño de una amplia gama de funcionalidades electroquímicas para aplicaciones de almacenamiento de energía y catálisis", añadió Zhang.

El equipo también hizo una observación interesante sobre la adición de melamina, un compuesto con tres grupos amino que se extienden hacia afuera, durante el tratamiento solvotérmico de formamida. Al introducir la melamina como una "semilla", tiene la capacidad de transformar el patrón de crecimiento 1D original de la formamida en una estructura 2D, lo que lleva a la formación de capas delgadas de materiales de carbono 2D.

El estudio aclara que el crecimiento de materiales de carbono de baja dimensión (PMA) 1D y 2D sigue una ruta específica:(1) deshidratación de formamida a moléculas de HCN, (2) polimerización de HCN en tetrámeros y 12-meros posteriores (poliaminas). , (3) decianación de los 12 meros y, finalmente, (4) ciclación intramolecular.

La estructura atómica precisa del producto de los PMA se puede resolver mediante tecnología de difracción de neutrones, lo que permite determinar la función de distribución de pares, como se muestra en el gráfico, que corresponde a la estructura del poliaminoimidazol (PAI).

"Hasta ahora, ha sido un desafío hacer crecer directamente los PMA con un contenido tan alto de nitrógeno a temperaturas suaves. Nuestros enfoques son pioneros en la síntesis controlable de nanocarbonos utilizando pequeños bloques de construcción moleculares", dijo el autor principal del estudio, Zongge Li. "Estos materiales pueden emplearse eficazmente como electrocatalizadores para la producción energéticamente eficiente de desinfectante con peróxido de hidrógeno".

Más información: Zongge Li et al, Crecimiento en solución anisotrópica de carbono rico en N 1D/2D, Materiales en polvo avanzados (2023). DOI:10.1016/j.apmate.2023.100138

Proporcionado por KeAi Communications Co.