多孔碳材料的種類、制備及應(yīng)用
多孔碳是一類具有孔結(jié)構(gòu)的碳材料。與石墨、碳納米管、富勒烯相同,多孔碳材料具備較好的穩(wěn)定性、較高的導(dǎo)電性和較好的機(jī)械性能等優(yōu)點(diǎn)。與石墨、碳納米管、富勒烯不同的是,多孔碳材料的孔尺寸大小具有可調(diào)性。這類碳材料已經(jīng)被應(yīng)用于很多領(lǐng)域,例如,氣體吸附、分離、存儲(chǔ)、超級(jí)電容器等領(lǐng)域。 制備多孔碳的來(lái)源(碳前驅(qū)體)豐富,常見(jiàn)的有生物質(zhì)、聚合物、含碳有機(jī)鹽等。采用不同的合成方法可以制備出具有不同形貌、不同孔尺寸的多孔碳,這對(duì)多孔碳的性能會(huì)有很大的影響。 多孔碳材料的種類 根據(jù)國(guó)際純粹與應(yīng)用聯(lián)合會(huì)(IUPAC)對(duì)孔尺寸的規(guī)定,可以將多孔碳劃分為微孔碳、介孔碳、大孔碳。微孔碳是指其孔尺寸小于2 nm;介孔碳是指其孔尺寸大于2 nm同時(shí)小于50 nm;大孔碳是孔尺寸大于50 nm的材料。根據(jù)碳的來(lái)源,可以分為活性炭、金屬有機(jī)骨架衍生碳、碳化有機(jī)鹽衍生碳、生物質(zhì)碳和多孔有機(jī)骨架衍生碳。 多孔碳材料的制備方法 采用不同的碳化方法制備出的多孔碳具有不同的形貌和結(jié)構(gòu),這些都會(huì)直接影響其應(yīng)用。根據(jù)在碳化過(guò)程中是否添加活化劑,可將制備方法分為兩種: (1)直接在氮?dú)饣驓鍤夥諊绿蓟?,不添加活化劑,為非活化法碳化法。這種制備多孔碳的方法相對(duì)簡(jiǎn)單、高效、環(huán)保,較為適合規(guī)?;苽涠嗫滋?。但是缺點(diǎn)突出,產(chǎn)率低,且需要較高的溫度,這勢(shì)必會(huì)增加能源消耗,提高生產(chǎn)成本。 此法常見(jiàn)的碳化過(guò)程主要有以下幾步,制備出多孔碳的前驅(qū)體(多孔有機(jī)骨架),設(shè)定碳化溫度在相應(yīng)的氛圍下碳化。研究者嘗試通入少量空氣,這可以降低碳化溫度。很多性能優(yōu)異的多孔碳已經(jīng)通過(guò)這種方法被制備出。 (2)添加活化劑碳化制備多孔碳。與第一種方法相比,活化碳化法碳化多孔有機(jī)骨架制備的多孔碳的BET比表面積相對(duì)較高,孔徑分布相對(duì)更均一。 活化碳化法根據(jù)活化劑的種類的不同,可以分為物理活化法和化學(xué)活化法,需要時(shí)也可將物理與化學(xué)活化法相結(jié)合。常見(jiàn)的方法是將前驅(qū)體與活化劑混勻,然后碳化。這種制備方法相對(duì)產(chǎn)率高,所需要的碳化溫度低,而且制備得到的碳材料比表面積高。但是需要用酸洗滌,除去殘留在孔道中的雜質(zhì),防止顆粒較大的金屬氧化物堵塞孔道,影響其實(shí)際的應(yīng)用。 此方法的缺點(diǎn)是對(duì)設(shè)備腐蝕性很強(qiáng),這無(wú)疑會(huì)增加應(yīng)用成本。報(bào)道最多的活化劑是氫氧化鉀,氯化鋅、硝酸鎂、氫氧化鈉、檸檬酸鉀等也有科研人員嘗試使用。氫氧化鉀制備多孔碳具有很多優(yōu)點(diǎn),具有相對(duì)較高的比表面積,產(chǎn)率較高,還可適度地制造出一些孔。 多孔碳的應(yīng)用 (1)多孔碳在氣體吸附、分離和存儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用 化石燃料的燃燒引起了嚴(yán)重的環(huán)境污染以及能源短缺,給人類的生活造成了很大的影響,因此,解決環(huán)境污染和能源短缺迫在眉睫。溫室氣體的捕獲與封存,以及開發(fā)利用H2、CH4等新型清潔能源是有效的方法,這就需要尋找高效的吸附劑。通過(guò)碳化多孔有機(jī)骨架制備出的多孔碳,具有孔徑可調(diào)的特點(diǎn),并且增強(qiáng)了材料表面的電場(chǎng),在一定程度上增強(qiáng)主客體間的相互作用,從而提高主體材料的氣體吸附性能。POFs衍生的多孔碳具有較高的比表面積等優(yōu)點(diǎn),使其可以應(yīng)用于氣體吸附、分離及存儲(chǔ)。 (2)多孔碳材料在能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的應(yīng)用 超級(jí)電容器,是一種高效且無(wú)污染的儲(chǔ)能設(shè)備,已經(jīng)被用于通訊、交通以及航天航空領(lǐng)域,因?yàn)樗哂泄β拭芏雀?、充電速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長(zhǎng)、安全無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)。電極材料作為超級(jí)電容器的關(guān)鍵組成,其性能的好壞,將會(huì)直接影響超級(jí)電容器的儲(chǔ)能性能。近幾十年,科研人員一直致力于研究將多孔碳材料作為超級(jí)電容器的電極材料,同時(shí)科研人員發(fā)現(xiàn),材料的比表面積和孔分布是影響超級(jí)電容器性能的關(guān)鍵。因此,設(shè)計(jì)并制備出具有高比表面積的多孔碳將會(huì)在該領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。