用有机小分子做碳材料?中科大这篇Science子刊有意思!_河南普赛化工产品有限公司

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用有机小分子做碳材料?中科大这篇Science子刊有意思!

 

第一作者:吴振禹、许实龙

通讯作者:俞书宏、梁海伟

通讯单位:中国科学技术大学

 

研究亮点:

1. 发展了一种简单、有效、可宏量制备碳材料的合成方法。

2. 通过过渡金属辅助碳化的方法实现了多种有机小分子的碳化。

3. 系统研究了有机小分子的结构对所得碳材料产率、形貌、成分的影响。

 

碳纳米材料因具备高的导电性、优异的化学稳定性、独特的微观结构等物理性质,在环境、能源、催化、电子器件和聚合物等领域有着广泛的应用。特别是拥有高的比表面积、多孔结构、理想的杂原子掺杂等特征的碳纳米材料,其应用将更加具有竞争力。

 

传统碳化低蒸气压的自然产物(如纤维素和淀粉)很难控制所得碳材料的微观结构和杂原子掺杂,而使用合成聚合物为前驱物制备碳纳米材料则过程复杂缓慢,且不易规模化生产。因此,开发简单、廉价、可控的方法宏量制备碳纳米材料依然面临巨大挑战。

 

有鉴于此,中国科学技术大学俞书宏教授梁海伟教授研究团队发展了一种过渡金属盐催化有机小分子碳化的合成新途径,实现了分子层面可控、宏量合成的多孔掺杂碳纳米材料。

 

图1 (A)过渡金属盐辅助碳化有机分子制备碳纳米材料的示意图;(B)有机小分子前驱物的结构

 

研究人员通过使用过渡金属盐辅助热解有机小分子(见图1A)来制备碳纳米材料。在高温热解的过程中,过渡金属盐不仅能够提高小分子的热稳定性,还能催化其聚合优先形成相应的聚合物中间体,避免有机小分子在高温热解中挥发从而最终形成碳纳米材料。

 

研究人员发现至少15种有机小分子(见图1B)和9种过渡金属盐可以作为碳前驱物和催化剂来制备相应的碳基纳米材料,同时多种硬模板可以用在该方法中来提高所得材料的比表面积和多孔性。研究结果表明,该方法是一种普适、简单、高效的碳纳米材料的合成方法。

 

运用这种方法制备的碳材料具有三种微观结构,即竹节状的多壁纳米管、微米尺度的片和无规则的颗粒。这些碳纳米材料比表面积和孔体积最高可达1202 m2 g-1和2.16 cm3 g-1;同时还具有丰富的杂原子,如硫元素的含量最高可达13.35%,氮元素的含量可达6.44%。此外,这些碳纳米材料具有很高的石墨化程度。

 

研究结果表明,该法制备的多孔碳纳米材料在选择性乙苯氧化、硝基苯氢化、析氢反应、氧还原反应中均表现出优异的催化性能(图2),是一类理想的多相催化剂和电催剂(图3)。

 

图2 碳材料在选择性氧化乙苯和氢化硝基苯的催化应用

 

图3 碳材料催化HER的性能

 

总之,这项研究为高效制备碳纳米材料提供了一种普适的合成路线,对今后发展合成具有理想结构和成分的碳纳米材料具有指导意义。

 

参考文献:

Wu Z, Xu S, Yan Q, et al. Transition metal–assisted carbonization of small organic molecules toward functional carbon materials[J]. Science Advances, 2018.

DOI: 10.1126/sciadv.aat0788

http://advances.sciencemag.org/content/4/7/eaat0788

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