应用前景广阔的中空多壳结构:理解结构与性能的相关性

- 文献题目   -

Hollow Multishelled Structures for Promising Applications:Understanding the Structure Performance Correlation

文献信息

期刊：Accounts of Chemical Research

影响因子：IF 24.466

发表日期：2019-05-30

DOI：10.1021/acs.accounts.9b00112

作者：Jiangyan Wang  , Jiawei Wan  , Dan Wang

单位：State Key Laboratory of Biochemical Engineering, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences

文献内容

中空多壳结构(HoMSs)具有由外向内排列的至少两个分离的壳层，具有较大的表面体积比、低密度、电磁波多重散射、易于质量传输和高负载能力等优点，在能量储存、电子流吸收、催化、传感器和药物递送等方面取得了巨大的成就。因此，人们致力于通过各种方法制造HoMSs，主要包括分层自组装法和软模板法。然而，HoMSs的高度复杂性使得HoMSs的通用和可控合成面临巨大挑战，严重阻碍了HoMSs的实际应用。幸运的是，受Xie团队提出的程序升温策略和Li团队报道的碳质微球(CMS)模板法的启发，我们在2009年开发了顺序模板法(STA)，该方法在过去十年中被证明对HoMSs的形成是有效的。本文系统地讨论了HoMSs的结构特征与其在储能、电子战吸收、催化、传感器和药物传递应用方面的性能之间的相关性。这些深入的认识，有望为今后优化HoMSs的设计提供一些指导，更好地满足具体应用的不同需求，进一步提高应用性能，从而丰富HoMSs家族，加快HoMSs在广泛应用领域的发展。

HoMSs的应用性能是由其组成和几何特征决定的，这可以通过调整制备工艺来控制。顺序模板法要求牺牲模板来丰富前体，然后在产品转换过程中多次充当模板，已被应用于丰富的HoMS制造。在过去的十年里，我们的团队在HoMS的制造和应用方面都取得了进展。如下图所示，通过控制合成条件，本课题组开发了不同用途的HoMSs。

文献内容

模板可以通过不同的方法来丰富前体，主要分为一步法和两步法。一步前体富集方法表明模板形成和前体富集同时发生，可实现大规模的HoMS生产。然而，它的可控性比两步方法差得多。前体富集两步法，包括模板合成和后续前体富集，适用于大多数可溶性前体，已广泛用于HoMSs的精确合成(见下图)。模板，通常是碳质微球，可以用碱或酸预处理，以增强前驱体的富集，从而增加壳数和壳厚，并控制HoMSs的壳间间距。此外，还可以调节模板的大小来控制前体的富集。除了cms，金属有机框架(MOFs)或其他形状模板也可以作为牺牲模板来设计多面体或立方管状HoMSs。除了控制模板的性质外，通过调节溶剂组成、前驱体类型、前驱体浓度、吸收次数或前驱体溶液和吸收添加剂的pH值，可以调节富集的前驱体数量和在模板中的分布，从而控制HoMSs的大小、壳数、壳厚度、壳孔隙率和壳间距。

文献内容

在产品转换过程中，随着模板材料的去除，外壳结构形成。CMS和MOF模板是两个最广泛使用的模板，通常通过煅烧去除。通过精确调节煅烧温度、加热斜坡速率、加热时间和气体气氛，可以很好地调节模板的去除率和产物的结晶速率，从而精确控制HoMSs的组成和几何特征。通过对合成过程的精确物理和化学操作，制备出了具有不同成分和几何性能的HoMSs，并应用于不同的应用领域。虽然利用HoMSs已经取得了改进，但对其结构特性与应用性能之间的相关性还不够深入了解。

当HoMSs用于传感器应用时，具有可调孔和壳结构的HoMSs在提高传感选择性、灵敏度和稳定性方面比单壳对应物和粒子表现出明显的优势。HoMS的可调孔结构只允许被检测到的具有合适大小和构型的分子通过壳层，而壳层的亲水性和疏水性可以控制，只允许特定的分子进入HoMS传感器内部，因此具有较高的传感选择性。HoMSs的灵敏度也可以大大提高，因为来自多个和更薄的壳层的丰富的响应位点和可控的孔隙率，以促进被检测分子的质量运输归因于毛细管效应。此外，由于多弹体的支撑作用，与少弹体相比，多弹体的HoMS传感器有望获得更好的稳定性。如下图a所示，采用具有良好孔隙结构的HoMSs后，检测气体分子和回收气体分子的扩散和吸附都得到了很大的改善，传感反应可以发生在壳的内外表面区域。相比之下，气敏反应只能发生在固体颗粒外表面的近区。结果，与大块颗粒相比，HoMSs表现出更高的灵敏度、快速响应和恢复时间(图b)。此外，随着壳数的增加，对检测气体的灵敏度显著增强。

在本文中系统地讨论了HoMS的结构特征及其在传感应用领域的性能之间的相关性。基于这些认识，我们能够设计出最优的HoMSs，同时满足各种应用的所有关键评价指标。未来的工作可以集中在以下几个方面，以进一步扩大HoMSs家族。首先，除均相HoMSs外，应更加重视无机-有机杂化HoMSs和壳芯成分不同的异质HoMSs的设计与合成。由于HoMSs的组成特性赋予其独特的理化性质，其应用领域将得到显著拓宽。其次，开发具有非对称结构或具有多腔室或多核的复杂HoMSs将进一步拓宽HoMSs的应用领域。第三，深入了解合成过程和应用过程中所涉及的热力学和动力学，根据应用的要求，有目的地合成具有特定成分和几何特征的HoMSs，可通过原位表征技术以及建模和仿真实现。最后但并非最不重要的是，探索新的应用领域，如隔热或隔音或吸收、电磁波的连续收集、气体分离、钾离子电池或其他金属离子电池、级联催化、连续药物释放等都是非常有前途的。

转自：“科研一席话”微信公众号

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