氨基酸類生物高分子作為制備高氮摻雜多孔碳材料的前驅體，一直以來備受學術界關注。各類氨基酸分子在受熱后可通過毛細管作用力進入二氧化硅模板（SBA-15）的介孔通道，然后再經過模板碳化過程，合成一系列的高氮摻雜介孔碳材料。然而，此方法的碳材料的產率嚴重依賴于氨基酸的種類：結構單元中包含類苯環官能團的氨基酸（如His, Tyr, Trp, and Phe）的碳材料產率（通常接近于25%）要遠高于僅含有端氨基的飽和烴鏈類氨基酸。后者以賴氨酸為例，其在上述碳化方法中得到的碳材料的產率通常低于5％。
圖1 “共生模板碳化”策略在制備高氮摻雜多孔碳片（NPCF）納米材料中的應用
在最近的“賴氨酸可控碳化”研究進展中，新加坡國立大學He Chaobin教授團隊探索了“共生模板碳化”策略在制備高氮摻雜多孔碳片（NPCF）納米材料中的應用。該方法首先通過水溶液熱聚合的方式合成了具有二維片狀構象的“支化聚賴氨酸”（BPL）。然后通過BPL分子鏈間的氫鍵作用力催化TEOS形成硅酸單元，同時通過靜電相互作用力誘導硅酸單元參與到BPL的自組裝行為當中（此階段BPL作為硅酸單元的正向自組裝模板）。最后，通過離心提純得到了相互緊密連接的BPL@silica雜化物，并將其作為穩定的碳化前驅體進行了下一步的高溫碳化反應，從而制備了高氮摻雜多孔碳片（NPCF）。在上述碳化過程中，與BPL共生的多孔silica作為反向碳化模板，保證了NPCF的高氮摻雜含量（9.6 at%）和高碳材料產率（20.1%）（圖1）。
圖2 NPCF的結構表征
通過調控碳化反應溫度和后處理的“退火”溫度，他們制備了NPCF-600, NPCF-700, NPCF-800, NPCF-900和NPCF-700/900。所制備的NPCF樣品的BET比表面積為879-1653 m2/g，孔尺寸分布為0.5-12 nm（圖2）。他們還進一步研究了NPCF對于氧化還原反應的催化性能（圖3）。在循環伏安曲線中，NPCF-700/900的氧還原峰位電勢為0.809 V。在旋轉圓盤電極線性掃描伏安曲線中，NPCF-700/900的最大峰強和半峰寬電勢分別為0.93和0.83 V，對應的動態極限和擴散極限電流密度分別為18.4和-4.89 mA cm-2，對應每個氧氣分子所轉移的平均電子數為3.95。NPCF-700/900對于氧化還原反應優異的催化性能來源于其碳骨架中豐富的摻雜氮原子和高比表面積與石墨化程度。
圖3 NPCF的電催化性能表征
新加坡國立大學的閔嘉康博士(兼第一作者)與He Chaobin教授以及華中科技大學的龔江研究員為該論文的共同通訊作者。
論文信息：Jiakang Min*, Xiaodong Xu, J. Justin Koh, Jiang Gong*, Xuecheng Chen, Jalal Azadmanjiri, Feifei Zhang, Xin Wen and Chaobin He*. Branched poly-L-lysine derived nitrogen-containing porous carbon fake as the metal-free electrocatalyst towards efficient oxygen reduction reaction. ACS Applied Energy Materials (2021) ASAP, doi.org/10.1021/acsaem.0c03070.
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.0c03070
