層間における界面活性剤自己集合を用いた階層的多孔性カーボンの合成とその応用
Hierarchical porous carbons with layer-by-layer motif architectures from confined soft-template self-assembly in layered materials
2017年6月12日 Nature Communications 8 : 15717 doi: 10.1038/ncomms15717
これまで様々な二次元（2D）ナノ物質（層状物質）が報告され、キャパシタの新規電極材料としての応用研究が試みられてきた。しかし、各層は剥離しても自然に再積層化する傾向があるため、高い表面積の実現は難しく、電解質の輸送なども妨げられ、実用化が著しく制限されてきた。今回、我々は、2Dナノ材料の層間空間に規則性メソ多孔性カーボン（OMC）を導入することによって、高い表面積を維持した階層的多孔性カーボンの合成に成功した。具体的には、層状物質の一種であるMXeneをホストとして選択し、その層間で界面活性剤の自己組織化によるメソ多孔性カーボンの形成を行った。最終的には、MXene（ホスト）から金属元素を除去することによって、MXene由来カーボン（MDC）とOMCで交互に重ねられた全カーボン2D-2Dヘテロ構造体を形成した。MDC層間にインターカレートしたOMC層は、ホスト由来のカーボン層の再積層化を防ぐだけでなく、イオン拡散と電子移動を促進する。得られた階層的多孔性カーボンのスーパーキャパシター電極としての性能から、将来の電子デバイスに展開できる可能性が実証できた。ホスト材料内にイオンが到達可能なOMCを構築する本手法は、様々な層状物質へ展開できると伴に、従来の2D物質の問題点であった再積層化と閉塞の克服できると思われる。
Corresponding Authors
Although various two-dimensional (2D) nanomaterials have been explored as promising capacitive materials due to their unique layered structure, their natural restacking tendency impedes electrolyte transport and significantly restricts their practical applications. Herein, we synthesize all-carbon layer-by-layer motif architectures by introducing 2D ordered mesoporous carbons (OMC) within the interlayer space of 2D nanomaterials. As a proof of concept, MXenes are selected as 2D hosts to design 2D–2D heterostructures. Further removing the metal elements from MXenes leads to the formation of all-carbon 2D–2D heterostructures consisting of alternating layers of MXene-derived carbon (MDC) and OMC. The OMC layers intercalated with the MDC layers not only prevent restacking but also facilitate ion diffusion and electron transfer. The performance of the obtained hybrid carbons as supercapacitor electrodes demonstrates their potential for upcoming electronic devices. This method allows to overcome the restacking and blocking of 2D nanomaterials by constructing ion-accessible OMC within the 2D host material.
