用于能量收集应用的聚苯胺接枝纳米碳材料的设计与制备

《Materials Advances》：Design and fabrication of a polyaniline-grafted nanocarbon material for energy harvesting applications

　　Tien Hung Nguyen | Thanh Huy Nguyen | Bui Anh Duy Nguyen | Thi Cam Linh Tran | Thanh Tung Tran | Ngoc Phuong Thuy Tran | Thi My Linh Phan | Huu An Ho | Tri Hieu Pham | Tuan Anh Luu | Thi Quynh Anh Luong | Vu Uyen Nhi Nguyen | Quoc Phu Phan
越南胡志明市理工学院（HCMUT）材料技术学院聚合物材料系
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近年来，开发具有可调氧化还原性质的高性能、低成本材料对于推进可持续能源设备的发展具有重要意义。本研究通过溶液等离子处理和热回流系统结合的方法，合成了来自苯胺的纳米碳（NC）颗粒以及接枝了聚苯胺的纳米碳（PANI-g-NC）。与传统催化剂相比，这些PANI-g-NC混合物具有显著优势：它们避免了贵金属的高昂成本和供应限制，提供了比原始聚合物更高的电导率，并引入了传统碳材料通常缺乏的氧化还原活性氮官能团。溶液等离子方法能够在不使用外部模板的情况下直接从液态苯胺中制备掺氮纳米碳。同时，热回流步骤确保了聚苯胺链在碳表面的有效接枝。所得样品通过SEM、TEM、拉曼光谱、XRD和循环伏安法（CV）等先进技术进行了表征。SEM和TEM图像显示纳米碳颗粒呈球形结构。FTIR光谱显示出特征峰，对应于胺中的N–H伸缩、芳香CC伸缩和C–N伸缩，证实了聚苯胺在纳米碳表面的成功接枝。XRD分析识别出与多种晶相相关的明显衍射峰：纳米碳（C）、二氧化钨（WO3）和金属钨（W）。电化学测量（循环伏安法）表明，随着PANI接枝时间的增加，循环伏安图面积逐渐减小。本研究展示了一种有效的策略，通过溶液等离子处理将纳米碳的高电导率与聚苯胺的氧化还原活性结合起来，为探索电荷转移机制提供了绿色、可持续且低成本的平台。更重要的是，PANI-g-NC混合物表现出与传统纳米碳或裸露聚苯胺不同的电化学行为。导电碳骨架与PANI中氧化还原活性氮官能团的协同作用，实现了增强电子传输、质子可及性和催化活性位点密度的混合电荷存储机制。这一双重贡献突显了该材料设计的新颖性及其作为高效耐用电催化剂的前景。

**引言**
过去三十年里，由于全球化、快速城市化和电子设备普及，全球能源需求急剧增长。这种增长的需求加速了对可持续和分散式电力解决方案的搜寻，促使人们转向能够减轻环境退化并减少对化石燃料依赖的清洁能源技术。2023年，全球能源收集系统市场价值为10亿美元，预计到2032年将达到30亿美元，年复合增长率为13.1%，这凸显了开发从光、温度梯度和机械振动等来源捕获环境能量的高效材料和系统的紧迫性。在这一背景下，具有可调氧化还原性质和高效电荷转移特性的材料是推进储能设备（如超级电容器）和转换技术的核心。这些系统的一个关键挑战是使用丰富且廉价的材料实现高性能。因此，研究人员转向纳米结构碳材料和导电聚合物作为可扩展的替代品，利用它们的物理化学性质来增强电荷转移和氧化还原活性。纳米碳（如石墨烯、碳纳米管、非晶碳）具有高表面积、优异的电导率和卓越的耐久性，但纯纳米碳常常缺乏足够的活性位点以实现高效的氧化还原反应。氮掺杂已知可以引入活性氮位点（石墨型、吡啶型和吡咯型），从而促进电子转移并改善性能。基于这一概念，像聚苯胺（PANI）这样天然富含氮的导电聚合物可以接枝到纳米碳上，带来包括增强分散性、界面稳定性和额外氧化还原活性位点在内的协同效益。PANI因其独特的结构组合而特别吸引人：它具有高度共轭的结构，单键和双键交替排列，有利于电子在聚合物主链上的移动。这导致了优异的电导率、可逆的氧化还原活性、良好的电催化行为以及高环境和热稳定性。这种无金属、基于聚合物的混合系统的研究得到了近期文献的广泛支持。例如，Sapner等人证明，L-赖氨酸功能化的还原氧化石墨烯表现出优异的无金属电催化性能，适用于能源相关应用。此外，将导电聚合物（如聚苯胺）与碳纳米结构（如在PANI/MWCNT复合材料中）结合已被证明可以显著提高能源收集和存储系统的导电性、稳定性和整体电化学性能。然而，要充分发挥这种混合结构的潜力，选择合适的合成方法至关重要。传统的自下而上技术（包括化学气相沉积CVD）通常需要高温和真空环境，这不仅增加能源消耗，还阻碍了大规模生产。另一方面，自上而下的方法（如机械研磨）会引入杂质并损害纳米结构的完整性，从而降低催化效率。在本研究中，我们采用了溶液等离子处理（SPP）这一先进技术，它能够在液相中同时生成纳米碳骨架并直接激活苯胺单体，克服了这些限制。在此过程中，等离子体内产生的高能电子和自由基在引发化学反应中起关键作用。当等离子体在溶剂中点燃时，靠近电极尖端的分子会因焦耳热效应（产生溶剂蒸汽）和电解作用（生成H2和O2等气体）而蒸发或形成气泡。这些气泡内部会触发电子雪崩，导致气泡内部发生电击穿，形成类似微型闪电的等离子体通道。这种不平衡放电可以在各种导电液体中产生，用于电离物种、加速离子并增殖初始种子电子。因此，SPP的关键步骤可以总结如下：施加高电压引发气泡形成和电击穿，产生不平衡放电等离子体，随后建立有利于纳米材料合成的独特反应环境。接下来是回流聚合步骤，通过π–π堆叠或共价相互作用促进PANI在纳米碳表面的接枝。与传统依赖昂贵预合成碳基底和多步氧化聚合的PANI/CNT或PANI/石墨烯混合物不同，这种结合的SPP-回流策略同时实现了（i）碳骨架的原位氮掺杂，（ii）高度缺陷且反应性的纳米碳表面以增强PANI的锚定，以及（iii）部分共价C–N接枝，所有这些均仅使用苯胺作为唯一的碳/氮前体和廉价的钨电极。这种后续处理改善了混合结构的界面兼容性和稳定性，确保了纳米碳骨架上聚合物的均匀覆盖。所得的纳米碳–PANI混合物结合了纳米碳的电导率和表面积以及PANI的氮富集催化性能，使其成为先进能源应用（尤其是用于储能的超级电容器和用于能量转换的燃料电池）的极具前景的候选材料。通过避免使用预形成的碳纳米结构和外部氧化剂，该方法比传统的PANI接枝碳混合材料更简单、成本更低且更具可扩展性。我们预计，这种具有可调氧化还原活性和电荷转移效率的材料平台可能为未来的电催化应用（如氧还原反应）探索提供有希望的基础。

**实验程序**
苯胺（C6H7N，≥99.5%）和丙酮（C3H6O，≥99.8%）从Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）购买。钨棒（W，≥99.95%，直径3.0毫米，长度200毫米）从Alfa Aesar（美国马萨诸塞州沃德希尔）获得。所有化学品均为分析级，无需进一步纯化。

**碳材料的合成**
实验中使用了一段两端开口的玻璃管，两端对称放置两个钨电极，电极间距小于1毫米，以确保不会直接接触。两个电极都经过绝缘处理，并连接到高压模块的输出端，该模块将直流电源（Vinasemi，30 V–6 A）提供的输入电压转换为约1000–2000 V的放电电压。然后向管内注入苯胺溶液，并通过开关电源启动等离子放电。
在SPP过程中，如图1所示，使用双极脉冲电源在浸入液中的电极之间生成等离子体。电极附近的分子反复受到来自电极的电子撞击，从而被激发和分解。结果，SPP诱导了许多高活性化学中间体的生成（如˙CH、˙CC、˙CN和˙C6H6–NH2自由基），这些中间体驱动了碳纳米材料的快速合成反应。苯胺溶剂中的氮原子通过反应性˙CN自由基的作用被纳入石墨晶格中，促进了吡啶型（N位于石墨烯层边缘，提供孤对电子）和石墨型（N取代石墨烯平面内的碳，改变电子性质）氮结构的形成。这种整合增强了碳骨架中的氮掺杂位点，促进了富含活性基团的官能化纳米碳的快速形成。

**聚苯胺接枝纳米碳材料的合成**
聚苯胺接枝纳米碳材料的合成分为两个步骤。首先，通过溶液等离子处理合成纳米碳材料30分钟。随后，将所得纳米碳悬浮液在180°C下进行热回流接枝。为了研究反应时间对接枝效率的影响，采用了3小时和6小时两种不同的时间框架，同时保持恒定温度和压力。在加热过程中，来自苯胺溶剂和等离子体活化的纳米碳表面的自由基启动了接枝过程。这些自由基（包括苯基和胺类衍生物）促进了苯胺单元通过自由基耦合在纳米碳表面的共价连接，形成了初始的苯胺接枝中间体。随着反应的进行，额外的自由基在热能和长时间暴露的作用下形成，导致苯胺单体聚合成PANI链。PANI-g-NC-Hx的合成途径如图3所示。所得样品表示为PANI-g-NC-Hx，其中“PANI-g-NC”表示聚苯胺接枝纳米碳，“Hx”表示回流时间（x = 3或6小时）。

**样品的收集和纯化**
经过30分钟的连续等离子放电后，通过尼龙膜过滤器（孔径：0.22 μm）进行真空过滤收集生成的纳米碳产物。为去除残留的有机分子和副产品，过滤后的固体用丙酮反复洗涤，直至滤液澄清。所得碳粉随后在200°C的对流烤箱中干燥一小时，以确保完全去除溶剂痕迹和水分。这种最终产品被称为未接枝聚苯胺的纳米碳，标记为NC。样品保存在密封的琥珀色玻璃瓶中，以防止污染和吸湿，然后进行进一步的表征。图2提供了NC合成过程的示意图。

**结论**
所开发的纳米碳–PANI混合物结合了纳米碳的电导率和表面积以及PANI的氮富集催化性能，使其成为先进能源应用（尤其是超级电容器和燃料电池）的极具前景的候选材料。与传统PANI接枝碳混合材料相比，该方法避免了预形成的碳纳米结构和外部氧化剂的使用，显著简化了制备过程，降低了成本，并提高了可扩展性。我们预期，这种材料平台凭借其可调氧化还原活性和电荷转移效率，可能为未来的电催化应用（如氧还原反应）探索提供有希望的基础。最终产品被命名为PANI-g-NC-Hx，并储存在密封瓶中，室温下保存。

### 材料表征

#### 扫描电子显微镜（SEM）
使用日立S-4500扫描电子显微镜（SEM）对合成的碳纳米颗粒（NC）和聚苯胺接枝的碳纳米颗粒的表面形态进行了表征。

#### 透射电子显微镜（TEM）
使用日立JEOL JEM-1400透射电子显微镜（TEM），在200 kV的加速电压下，研究了其内部纳米结构。

#### 傅里叶变换红外光谱（FTIR）
使用Thermo Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）分析了碳纳米颗粒和聚苯胺接枝碳纳米颗粒的化学结构。光谱记录范围为500–4000 cm?1，分辨率为2 cm?1，通过平均64次扫描获得。

#### X射线衍射（XRD）
使用Malvern Panalytical B.V.公司的X射线衍射仪（XRD），在2θ范围10–80°内，采用CuKα辐射（λ = 0.154 nm）检测样品的结晶度。

#### 拉曼光谱
使用Horiba Scientific公司的XploRA ONE?光谱仪进行了拉曼光谱分析，光谱范围为1000–3500 cm?1，以评估碳基样品的结构有序性和无序性。D带和G带的强度比（ID/IG）用于评估结构缺陷和石墨化程度。

#### 循环伏安法（CV）
使用Biologic MPG2系统进行了循环伏安法（CV），以量化样品的电化学性能。实验采用标准的三电极配置，工作电极为直径3 mm的玻璃碳电极，对电极为镍箔，参比为Ag/AgCl电极。工作电极是通过在玻璃碳基底上涂覆浆料制备的，该浆料包含活性物质（70 wt%）、作为导电添加剂的炭黑C65（15 wt%）以及作为粘合剂的羧甲基纤维素（15 wt%）。在0.5 M H2SO4溶液中，以50 mV s?1的速率从0.0 V扫描到1.4 V（vs. RHE），室温下进行了电化学行为分析。

### 结果与讨论

#### 扫描电子显微镜（SEM）
这些SEM图像（图4）提供了由于苯胺接枝到碳纳米颗粒上而产生的形态变化的有力视觉证据。对于NC样品（图4a和b），碳纳米颗粒呈现球形形态，并且有明显的聚集倾向。这种行为是由于粒子之间的强范德华力超过了微弱的静电排斥力，从而阻碍了有效分散，导致可用表面积显著减小。

#### 透射电子显微镜（TEM）
这些TEM图像（图5）提供了碳纳米颗粒及其接枝后内部组成和边界特征的详细高分辨率视图。对于NC样品（图5a），碳纳米颗粒显示出主要是非晶态的核心，边缘不规则，颗粒在接触点处紧密堆积。在PANI-g-NC-H3样品（图4c和d）中，原始颗粒形状仍可部分辨认，尽管许多表面区域覆盖了一层薄薄的聚合物。这表明苯胺最初附着在碳纳米颗粒上，模糊了颗粒边界并减少了局部聚集。对于PANI-g-NC-H6样品（图4e和f），表面覆盖率明显增加，PANI层发展成连续网络，分隔了颗粒并减少了直接吸附作用。这一结果强调了反应时间是影响聚合物涂层厚度和连续性的关键参数。

#### 拉曼光谱
拉曼光谱用于快速无损地探测合成碳纳米材料的结构演变。在拉曼光谱中，D峰（约1350 cm?1）表明碳晶格中存在缺陷或无序，如边缘或sp3杂化的碳；G峰（约1580 cm?1）反映了sp2杂化碳原子的平面内拉伸，表示石墨结构的完整性；2D峰（约2700 cm?1）提供了石墨材料的堆叠顺序和层厚度的信息，其形状和强度可以判断材料的结晶度。D峰与G峰的强度比（ID/IG）是衡量结构缺陷和石墨化程度的关键指标：较高的比值表示更大的无序或缺陷密度；较低的比值表示更有序的石墨结构。如图6所示，NC样品显示出明显的D峰和G峰，其中D峰更强。相应的ID/IG比值为1.11，表明存在相当程度的无序，这很可能源于合成过程中的缺陷；而PANI-g-NC-H3样品的ID/IG比值增加到1.24，表明无序程度更高，这可能归因于PANI的初始附着。PANI与碳纳米颗粒的相互作用（可能是通过π–π堆叠或部分共价键合）扰乱了石墨晶格。

#### 傅里叶变换红外光谱（FTIR）
FTIR光谱显示了合成材料中官能团的演变。NC和PANI-g-NC-H3样品在3450 cm?1处显示出一个弱而宽的峰，这是由于吸附在碳纳米颗粒上的水或表面羟基引起的O–H拉伸；在794 cm?1和1078 cm?1处没有显著峰，表明这些样品中PANI的存在可以忽略不计。这表明3小时的接枝时间不足以形成大量聚合物。相比之下，PANI-g-NC-H6样品显示出显著的转变，3450 cm?1处的峰更强且更宽，这是由于PANI胺基团中的N–H拉伸以及来自水分的O–H贡献；此外，在794 cm?1（苯环中的C–H弯曲）和1078 cm?1（C–O拉伸）处出现了新的强峰，表明长时间接枝显著增强了PANI的形成和覆盖。这些FTIR结果详细描述了样品的形态特征，包括颗粒形状、聚集倾向、分散行为以及反应时间的影响，有助于全面理解苯胺接枝如何改变碳纳米颗粒的纳米结构。

#### X射线衍射（XRD）
XRD结果表明，苯胺接枝后，碳纳米颗粒从原始的非晶态转变为多毛状纳米颗粒结构。在PANI-g-NC-H3样品中，碳纳米颗粒核心上长出了短而稀疏的聚合物突起，表明苯胺衍生链的初步生长；这种多毛层开始破坏NC中的紧密堆积。在PANI-g-NC-H6样品中，聚合物突起更长更密集，进一步分隔了颗粒，减少了直接接触。

#### 总结
这些实验结果表明，苯胺接枝显著改变了碳纳米颗粒的形态和结构特性：短时间处理促进了晶格破坏，而长时间处理则增强了结构有序性；同时，接枝时间对碳纳米颗粒的表面拓扑结构也有显著影响。拉曼光谱和FTIR分析证实了PANI在碳纳米颗粒上的成功接枝，并揭示了官能团的变化；XRD分析了结晶度，显示了不同接枝时间对碳纳米颗粒结构和有序性的影响。尽管钨及其他钨类物质存在，但由于其浓度低且分散程度高，被其他碳纳米颗粒所掩盖，因此不会对材料的整体性能产生负面影响。先前的研究也证实了这一点。36., 46. 下载：下载高分辨率图像（477KB）下载：下载全尺寸图像图8. NC、PANI-g-NC-H3和PANI-g-NC-H6的XRD图谱，显示由于聚合物涂层和界面改性导致的石墨反射减弱。循环伏安法（CV）循环伏安法测量在0.5 N H2SO4电解质中进行，扫描速率为50 mV s?1，如图9所示。纳米碳（NC）表现出最高的电流响应，这归因于其较大的可接触表面积和大量的电活性位点。这表明在纳米碳界面处可以高效地进行质子（氢离子）的吸附-解吸，这是电催化过程的基本要求。下载：下载高分辨率图像（2MB）下载：下载全尺寸图像图9. 在0.5 N H2SO4溶液中，以50 mV s?1的速率对制备的电极为进行电化学性能测试，包括循环伏安法（a）、峰电位分离（b）、面积电容（c）和电容保持率（d），结果表明接枝后质子耦合电子转移动力学得到了增强。当聚苯胺接枝到纳米碳上时，如PANI-g-NC-H3和PANI-g-NC-H6所示，封闭的CV区域从NC逐渐减小到PANI-g-NC-H6，表明聚合物覆盖部分阻塞了活性碳位点，降低了整体的电容响应。然而，PANI链中的氮官能团引入了一种不同的机制：氧化还原活性的胺基团参与了质子耦合电子转移（PCET），这表现为明显的阳极和阴极峰。47 PCET是一种公认的电催化机制，涉及电极（材料）和电解质之间电子和质子的协同或顺序转移，这对于降低氧化还原反应的活化能障至关重要。48 共轭聚合物和氮掺杂的纳米碳系统已被证明可以通过提供质子化位点和高效的电子传导途径来促进PCET。49., 50. 例如，在一种共轭的多氧化还原聚合物系统中观察到了超纳斯特（super-Nernstian）的PCET行为，突显了聚合物骨架支持丰富质子-电子耦合的能力。50 在PANI-g-NC-Hx系统中，接枝的PANI引入了氮位点（–NH, N–），这些位点可以作为质子化中心，而其扩展的π共轭骨架提供了高效的电子传导路径。这些特点共同为混合界面上的PCET创造了有利条件。此外，混合物还受益于电解质H+离子与富电子的共轭域以及聚苯胺中的杂原子位点之间的强质子-π相互作用。这些相互作用不仅实现了局域电荷存储和高度可逆的氧化还原循环，51 而且还有助于稳定电化学界面并促进电子在网络中的高效传输。比较PANI-g-NC-H3和PANI-g-NC-H6，PANI-g-NC-H3的峰电位分离（ΔEp）更大，表明在中等接枝水平下电子转移的可逆性较慢。在这种情况下，电荷载流子在返回碳网络之前暂时被聚合物骨架捕获，从而限制了催化氧化还原反应的速率。相比之下，PANI-g-NC-H6显示出较小的ΔEp，反映了更快的氧化还原动力学，增强了其介导质子耦合电子转移的能力。为了深入理解质子耦合电子转移机制的动力学，分析了阳极（Epa）和阴极（Epc）峰之间的峰电位分离（ΔEp）。根据Huynh和Meyer（Chem. Rev. 2007）48以及Costentin（Chem. Rev. 2008）52建立的机制框架，ΔEp的大小是判断耦合质子-电子转移可逆性和速率的关键指标。ΔEp = Epa ? Epc在PANI-g-NC-H6混合物中，CV曲线显示出明确定义的氧化还原对，峰电位分离约为120 mV（在10 mV s?1的扫描速率下）。这种相对较窄的ΔEp表明电子转移与氮位点（–NH–/–N）上的质子化/去质子化紧密耦合，没有显著的动力学障碍。如果质子转移缓慢或脱钩（阶梯式机制），则需要更大的过电位来驱动反应，导致ΔEp显著增大。因此，观察到的小峰电位分离证实了协同或同步的PCET路径，在该路径中，PANI基质促进了快速的质子传输，以补偿电子流动，确保了循环过程中的高可逆性和结构稳定性。虽然PANI-g-NC-H6中较高的聚合物覆盖率由于活性碳域的暴露减少而降低了电流密度，但连续的PANI涂层有效地桥接了原本分散的纳米碳颗粒，从而提高了电极的电子连通性。这种导电性的增强抵消了聚合物覆盖的屏蔽效应，并通过加速共轭骨架与电解质之间的电荷传输直接提高了电催化效率。同时，NC由于其宽的CV电压范围和弱的氧化还原特性，仍然受表面控制的吸附-解吸机制的支配，而不是真正的PCET。孤立的纳米碳颗粒之间的较差电连通性解释了其氧化还原峰不明显的现象，尽管其整体电流响应较大。还研究了改性超级电容器电极的循环稳定性。电极在室温下的0.5 N H2SO4水溶液中以50 mV s?1的扫描速率进行了70次连续CV循环，以评估其耐久性（图9）。PANI-g-NC-H3和PANI-g-NC-H6与NC相比都表现出更好的电容保持率。对于PANI-g-NC-H6，在整个循环测试过程中观察到电容逐渐增加。这种行为可以解释为质子逐渐嵌入结构良好的聚苯胺骨架中，形成了稳定的质子-π对。通过反复的充放电过程，6小时内发展的聚苯胺网络的改善的电子导电性使得氧化还原过程中的电子传输更加高效，从而促进了H+离子在电极和电解质之间的释放和再插入。因此，系统迅速达到平衡并保持了稳定的电容响应，突显了PANI-g-NC-H6的有前途的耐久性。相比之下，PANI-g-NC-H3电极也显示出比裸露的NC更高的保持率，但稳定性提升不明显。接枝后仅3小时的较低聚合物覆盖率使得部分纳米碳框架连接不足，从而限制了电子传输。这种不完全的导电性将一些质子困在结构中，限制了循环过程中的完全可逆性。因此，尽管PANI-g-NC-H3由于PANI引入的氮官能团而缓解了裸露NC的降解问题，但其长期稳定性仍低于PANI-g-NC-H6。基于循环伏安法分析的见解，进一步阐明了导电机制（图10）。纳米碳中的导电现象主要发生在接触区域，即单个碳颗粒相遇的地方。53., 54. 在这些界面处，通过相邻sp2杂化碳原子的π轨道直接重叠，促进了电子传输，使得颗粒在物理接触时能够高效地传递电荷。55 这种接触点导电性至关重要，因为它允许电子在分散的纳米碳域之间移动。另一方面，将PANI接枝到纳米碳上显著提高了混合系统的整体导电性，充当了连接纳米碳颗粒的导电桥梁。这种改进源于PANI作为电导聚合物的作用，其扩展的π共轭骨架充当了“ wiring”网络，将原本孤立的纳米碳连接成一个更加连贯的导电框架。导电机制涉及三种关键相互作用类型：（i）PANI链到PANI链的相互作用；（ii）PANI链到纳米碳的相互作用，其中在接枝界面处的共价键或π–π相互作用促进了从碳表面到聚合物的电子转移，提高了界面导电性；（iii）纳米碳到纳米碳的相互作用，这些相互作用通过PANI涂层得到保留和增强，减少了颗粒间的接触电阻。该理论表明，PANI层不仅补偿了原始纳米碳的有限连通性，还放大了混合系统的电催化效率。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像图10. （A）非桥接纳米碳（NCs）和（B）PANI-g-NC中互连导电网络的示意图，强调了纳米颗粒（NC）粉末中改进的电子和离子传输路径。总之，将聚苯胺接枝到纳米碳上有效地将纳米碳的电化学行为从简单的表面控制的质子吸附转变为更先进的混合质子耦合电子转移途径。PANI-g-NC-H3表现出更高的电流响应和适度的电荷转移动力学提升，但由于聚合物覆盖不完整，其改进仍然有限。相比之下，尽管PANI-g-NC-H6中纳米碳表面被聚苯胺广泛覆盖，材料仍保持高效的电子传导并在长时间循环中表现出显著的稳定性。这种耐久性和电子导电性的平衡使PANI-g-NC-H6成为所研究材料中最可靠和稳健的候选者。总体而言，研究结果突显了接枝持续时间在优化电催化性能中的关键作用，PANI-g-NC-H6经过6小时的接枝后表现出有希望的电荷转移动力学、增强的质子耦合电子转移以及在80次循环后约90%的电容保持率，从而为开发用于燃料电池应用的低成本、耐用的催化剂提供了有针对性的途径。结论本研究成功地展示了使用溶液等离子体技术合成了接枝有聚苯胺的纳米碳。通过控制合成过程中的加热时间，有效地调整了所得材料的性质。初步结果表明，PANI-g-NC混合材料作为一种低成本的、环保的无金属电催化剂，在氧还原反应（ORR）和超级电容器中具有巨大潜力，这归功于其混合电荷存储机制以及氮掺杂纳米碳和接枝PANI之间的协同效应。将聚苯胺接枝到纳米碳表面显著提高了材料的电导率和电荷传输能力。此外，通过简单改变合成时间来调整材料的性质，平衡电荷存储容量与电导率，为设计先进材料提供了一种直接而有效的方法。然而，目前的研究仅限于在少量循环（70次）期间获得的定性循环伏安法（CV）数据。它缺乏针对ORR的深入评估、长期耐久性评估以及在实际操作条件下的性能测试。这些限制将在未来研究中有待解决，届时将有更多的设备资源和资金支持。这项工作确立了溶液等离子体处理作为开发下一代接枝纳米材料的多功能方法，用于可持续能源技术。作者贡献Nguyen Tien Hung构思了研究，设计了方法论，监督了工作，并验证了结果，起草了包括摘要、引言、结果和讨论（SEM、TEM和拉曼分析）、图形摘要以及程序图像的手稿。Nguyen Thanh Huy整理了数据，进行了分析和可视化，并协助撰写了手稿，同时参与了工作规划和手稿修订。Nguyen Bui Anh Duy进行了正式分析，参与了研究，并协助修订了手稿。Tran Thi Cam Linh进行了实验，包括样品准备和合成，并协助数据分析。Tran Thanh Tung进行了实验，处理了测量结果，并协助数据解释。Tran Ngoc Phuong Thuy进行了FTIR和XRD分析，并协助数据解释。Phan Thi My Linh协助撰写了实验程序部分并协助数据解释。Ho Huu An分析了循环伏安法结果。Pham Tri Hieu协助了手稿审阅。Luu Tuan Anh协助了实验设计并进行了支持性测量。Luong Thi Quynh Anh参与了图形的准备和手稿图形的修订。Nguyen Vu Uyen Nhi进行了支持性实验，并协助了手稿审阅。Phan Quoc Phu监督了项目，发展了理论背景，提出了反应机制，并修订了手稿。利益冲突没有需要声明的数据可用性所有支持本研究结果的数据都可以从相应的作者处获得，只需合理请求即可。这包括合成和表征化合物的关键实验数据，以及电化学测量的原始数据。此外，本研究中使用的计算方法和参数，连同输入文件和输出数据也都有完整的描述和提供。补充信息（SI）提供了合成材料的全面表征数据，包括FTIR、拉曼和XRD光谱，以及循环伏安法（CV）测量的原始数值数据。这些数据集支持了主文中讨论的结构分析和电化学性能。详见DOI: https://doi.org/10.1039/d6ma00205f。