骨架状聚氨酯海绵模板导向制备多级孔碳材料

多级孔结构碳材料具有结构多样、比表面积高、孔体积大和化学稳定性好等性质,不同尺度的孔道能协同发挥各自的传质优势,在吸附和分离、化学化工、靶向给药和能源储存等方面有独特表现并得到了广泛应用.近年来,国内外将聚氨酯海绵与其他尺度的模板剂相结合制备了许多不同结构的多级孔状碳质材料并应用到不同的领域.本文从多级孔碳材料的制备、结构和应用等角度综述了相关研究工作,并指出合成石墨化、各级孔道合理分配、孔壁薄和机械强度好的多级孔结构的碳材料仍面临诸多问题.     

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正封面:面向能源、环境、绿色化工等领域的广泛需求,近年来多种新型多孔材料问世,其中介孔材料、杂化多孔固体如金属有机骨架结构等具有有序孔道结构的催化材料得到蓬勃发展,本期"新型多孔催化材料"专栏,封面选载了3篇报道,分别为可高效催化甲醇电催化氧化且抗CO中毒的介孔碳负载PtRu等合金催化剂、低温氧化甲醛的三维有序介孔MnO_2材料、具有优异硝基苯催化加氢活性的MIL-101负载NiPd核壳纳米催化剂.     

有机多孔材料:合成策略与性质研究

多孔材料已经广泛应用于离子交换、吸附与分离、主客体化学等诸多领域. 多孔材料的研究同时具有基础和应用研究价值. 根据多孔材料的元素组成及键连方式, 多孔材料包括无机、无机-有机杂化和有机这三种形式的孔材料. 相对于无机孔材料及无机-有机孔材料研究, 有机多孔材料的研究时间较短. 构筑有机多孔材料的基块其结构丰富多样, 轻元素组成的有机基元通过共价键连接形成, 因此有机多孔材料具有骨架组成丰富、修饰性强、稳定性好、比表面积高、孔道结构可调等优点. 总结有机多孔材料的研究, 结合我们自己研究工作, 在这篇综述中我们将着重介绍它们的合成策略、气体储存、催化性能等.     

一步碳化多孔有机材料制备多孔碳及其性能的研究

开发并利用清洁的、可再生的能源是解决环境污染问题和能源短缺的有效方法.碳化含碳量较高的多孔有机材料制备的多孔碳,具有较高的比表面积,良好的物化稳定性,优良的机械性能等优点,在清洁能源的存储、分离、能量的存储与转化领域有广泛的应用.常见的由多孔有机材料制备多孔碳的方法主要是非活化碳化法和活化碳化法.不同的制备方法得到的多孔碳形貌,孔结构各不形同.多孔碳材料自身的结构性质可以影响其应用.合理的设计并调控多孔碳的“孔”,发挥孔尺寸的“筛分效应”可以有效地对气体进行存储和分离.在锂电等能量转化领域,“限域效应”是影响锂电性能的重要因素.多孔碳材料中较小的孔可以限域活性成分,而较大的孔可以快速传输,两种孔的协同效应可以使锂电性能大大提升.本综述系统地归纳了一步碳化多孔有机材料制备多孔碳的方法及其优势,详细地介绍了其在气体吸附、存储、分离以及电化学等领域的应用.最后,结合多孔碳材料的研究现状,提出由多孔有机材料制备多孔碳材料所面临的挑战,同时也展望了多孔碳材料的应用前景.     

介孔碳纳米纤维制备与超电容性能研究

采用低分子量酚醛树脂/F127混合物填充多孔氧化铝模板孔道,制备了大尺寸介孔孔道、核-壳结构的介孔碳纳米纤维.分别以SEM、TEM及N2等温吸附-脱附观察分析样品形貌和孔结构参数.循环伏安与恒流充放电测定该介孔纳米纤维电极(阳极)的超电容性能.结果表明:介孔碳纳米纤维比电容明显增大,且在高扫速、大电流下具有良好的超电容特性.     

木质素多孔碳材料在电化学储能中的应用

木质素可再生资源成本低、含碳量高、芳香度高和易集中收集,被认为是具备潜力大规模工业化制备新型多孔碳材料的重要碳质原料之一,对缓解化石资源消耗及可持续发展具有重大的意义。多孔碳材料具有较高的电导率、较高的比表面积、丰富的孔道结构及良好的稳定性等特点,作为储能材料有广阔的应用前景。本文介绍了模板法、活化法及水热法制备木质素多孔碳材料的国内外最新研究进展,详细总结了不同热解工艺参数对木质素多孔碳材料微观结构的影响规律,重点阐述了其作为锂离子电池、钠离子电池和超级电容器电极材料的研究进展。针对功能化木质素多孔碳材料制备工艺复杂及储能性能差等瓶颈问题,提出离子/电子扩散动力学的优化、多种储能机制的协同作用和绿色、简便制备工艺的开发等研究策略,指出研发先进炭化技术构筑合理分级孔径结构,精准调控适宜层间距且高度有序排列碳层、功能化改性表面微环境及直接构建炭化工艺参数与电化学性能之间的因效关系是制备高储能性能木质素多孔碳材料的未来研究方向。     

树枝状多孔二氧化硅纳米粒子的制备及其在先进载体中的应用

树枝状多孔二氧化硅纳米粒子具有中心辐射状孔道结构且孔道尺寸从粒子内部到粒子表面逐渐增加,是一种具有新颖结构的多孔材料。和传统的具有二维六方有序孔道结构的介孔二氧化硅粒子相比,这种粒子具有三维开放性的树枝状骨架结构,因而具有独特的结构优势,即高的孔渗透性和高的粒子内表面的可接触性,从而有利于物质（分子或纳米粒子）沿着中心辐射状的孔道进行输送,在树枝状粒子的内部负载或者与内部的活性位点发生反应。因此,这种粒子是一种很有前景的载体平台,可以用来构筑新型的吸附剂、纳米催化剂和基因药物的递送系统等。本综述首先介绍了一系列的合成方法和对树枝状骨架结构的调控策略,探讨了树枝状多孔结构对物理化学性能的影响,描述了其在催化、纳米生物医学、环境能源等领域的应用性能,并对树枝状多孔二氧化硅粒子的合成方向和应用前景进行了展望。     

复合介孔二氧化硅膜的制备及应用

复合介孔二氧化硅膜是近十年来发展起来的一种具有独特孔中孔结构的新型膜材料。该材料以多孔膜（无机多孔膜或者有机多孔膜）为硬模板,以表面活性剂为结构导向剂,通过溶胶-凝胶等方法将介孔二氧化硅材料组装在多孔膜的孔道中制备而成。由于其具有不同于传统介孔二氧化硅膜材料的一些独特结构和性能,并在分离、吸附和催化等领域具有广泛的应用前景,引起了人们广泛的关注。本文主要就复合介孔二氧化硅膜的制备方法,特别是近几年内其在纳滤、纳米材料的模板合成、酶的固定、传感器、反应器以及药物释放等方面最新的应用研究进展进行论述,同时对这类新型的复合介孔二氧化硅膜材料在合成和应用方面存在的问题进行了分析和总结,并对其发展前景作了展望。     

多孔碳材料的研究进展

多孔碳材料具有高的比表面积、可调控的物理化学性质、价廉易得等优点,在能源存储和转换、催化、吸附分离等领域展现出了巨大的应用前景.多孔碳材料的制备方法和前驱体的选择直接决定了其性能及使用范围.聚合物结构丰富,通过碳化不同结构的聚合物制备多孔碳材料是目前多孔碳材料的研究热点之一.本文详细综述了目前多孔碳材料的主要制备方法以及聚合物作为碳前驱体,其结构与多孔碳材料结构与性能之间的构效关系.最后,对多孔碳材料的未来发展方向做了进一步的展望.     

金属有机骨架材料在吸附分离大气污染物中的应用

大气污染问题是关系人民生命健康和经济社会和谐发展的重大问题.因此需要开发高效的吸附材料用于大气污染物的吸附和分离.金属有机骨架材料(MOFs)是一类新型的多孔材料,该材料具有结构多样、孔结构有序、大比表面积和高孔隙率等结构特点.MOFs通过调节有机配体的长度和官能团调节孔径和孔道尺寸,并进行功能化修饰在孔道中引入功能性...     

掺杂多孔碳材料催化醇选择性氧化研究进展

羰基化合物是重要的有机中间体,醇类化合物的选择性氧化是合成羰基化合物的一类重要反应。在这类反应中,掺杂多孔碳材料因其独特的性能可直接作为催化剂或者催化剂载体。文章综述了单一掺杂多孔碳材料、共掺杂多孔碳材料和负载型掺杂多孔碳材料的制备方法,指出可能存在的活性位点和催化机理。最后,讨论掺杂多孔碳材料目前需要解决的问题,设计绿色高效的负载非贵金属的掺杂多孔碳材料是未来的一种发展方向。     

Simple fabrication of a phosphorus-doped hierarchical porous carbon via soft-template method for efficient CO2capture

Hierarchical porous carbons are widely used as adsorbents, catalyst supports, electrode materials, and other applications because of their high specific surface area (SSA), varied pore structure, adjustable porosity, and excellent physicochemical stability. Introducing heteroatoms such as N, P, or S, with electronegativities different from that of carbon, into the carbon skeleton can change the chemical properties of the surface and the density of the electron cloud around the carbon matrix, thus altering interactions of CO₂molecules with the surface and improving CO₂adsorption capacity. Therefore, doping heteroatoms in carbon materials has attracted a great amount of attention. In this paper, the template method was used with F108 (polyethylene glycol–polypropylene glycolpolyethylene glycol) as the template, resorcinol and formaldehyde solutions as the carbon sources, phosphoric acid as the phosphorus source, and KOH as the activator to prepare phosphorus-doped hierarchical porous carbons. Through a series of characterization and CO₂adsorption experiments, the influence of the amount of KOH and template agent on the pore structure of carbon materials was studied. We conclude that these phosphorus-doped hierarchical porous carbon materials are promising CO₂adsorbents.     

衍生多孔碳材料在固相微萃取中的应用研究进展

固相微萃取是一种集采样、萃取、富集和进样于一体的样品前处理技术,其萃取效果与涂层材料密切相关。多孔碳材料具有比表面积大、多孔结构可控、活性位点多和化学稳定性好等优点,广泛应用于电池、超级电容器、催化、吸附和分离等领域,也是一种热门的用作固相微萃取探针的涂层材料。衍生多孔碳材料因种类丰富、可设计性强被广泛研究,研究主要集中在对衍生多孔碳材料的结构优化方面。但是衍生多孔碳材料在固相微萃取中的应用还存在如下问题:(1)共价有机框架衍生多孔碳材料的制备已取得较大进展,但将其应用于固相微萃取领域的研究仍较少;(2)有待进一步明确制备出的衍生多孔碳材料用作固相微萃取涂层表现出优异提取能力的机理;(3)有待进一步深入研究将衍生多孔碳材料用作固相微萃取涂层以实现对不同物理化学性质污染物的广谱高灵敏度分析。文章综述了近3年衍生多孔碳材料在固相微萃取中的应用研究,并展望了未来衍生多孔碳材料在固相微萃取中的研究前景。引用文献共56篇,主要来源于Elsevier。     

Dual-Templating Approaches to Soybeans Milk-Derived Hierarchically Porous Heteroatom-Doped Carbon Materials for Lithium-Ion Batteries

Biomass derived carbon materials are widely available, cheap and abundant resources. The application of these materials as electrodes for rechargeable batteries shows great promise. To further explore their applications in energy storage fields, the structural design of these materials has been investigated. Hierarchical porous heteroatom-doped carbon materials (HPHCs) with open three-dimensional (3D) nanostructure have been considered as highly efficient energy storage materials. In this work, biomass soybean milk is chosen as the precursor to construct N, O co-doped interconnected 3D porous carbon framework via two approaches by using soluble salts (NaCl/Na₂CO₃ and ZnCl₂/Mg₅(OH)₂(CO₃)₄, respectively) as hard templates. The electrochemical results reveal that these structures were able to provide a stable cycling performance (710 mAh ⋅ g⁻¹ at 0.1 A ⋅ g⁻¹ after 300 cycles for HPHC-a, and 610 mAh ⋅ g⁻¹ at 0.1 A ⋅ g⁻¹ after 200 cycles for HPHC-b) in Li-ion battery and Na-ion storage (210 mAh ⋅ g⁻¹ at 0.1 A ⋅ g⁻¹ after 900 cycles for HPHC-a) as anodes materials, respectively. Further comparative studies showed that these improvements in HPHC-a performance were mainly due to the honeycomb-like structure containing graphene-like nanosheets and high nitrogen content in the porous structures. This work provides new approaches for the preparation of hierarchically structured heteroatom-doped carbon materials by pyrolysis of other biomass precursors and promotes the applications of carbon materials in energy storage fields.     

二氧化钛多孔材料及其性能研究进展

二氧化钛(TiO₂)多孔材料由于具有优异的物理化学性质,在催化、能源、传感等领域展现了重要的研究价值和应用潜力。 TiO₂的多孔结构特别在一些涉及异相反应的应用(如异相催化、气敏等)中具有重要的优势,如丰富的传质通道和表面活性位点、可调变的孔尺寸等。 目前,多孔TiO₂功能材料的开发和优化研究正在不断推进其工业化应用的进程。 本文围绕多孔TiO₂的几个优势应用领域(光催化、光生电子存储和气敏)的研究进展,从结构和缺陷设计出发介绍和讨论性能调控策略。 本文还特别介绍了本课题组通过光诱导合成法开发的一系列多孔TiO₂基功能材料,并对相关性能研究领域的关键问题进行了分析和展望。     

氢氧化钾活化制备超级电容器多孔碳电极材料

具有高比表面积、良好导电性的多孔碳材料在超级电容器中有着广泛的应用前景. 大量的研究工作致力于通过物理或者化学手段合成并调控多孔材料的微观结构. 在众多多孔碳材料的制备方式中,氢氧化钾作为一种高效的活化剂,常用于制备具有良好孔径分布和高比表面积多孔碳电极材料. 本文主要结合作者课题组的研究工作,着重概述利用氢氧化钾活化sp²碳纳米材料制备多孔碳材料的机理过程、结构形貌的转变以及所得材料的电化学性能,希望对发展新型的高性能基多孔碳材料的超级电容器电极材料有所帮助.     

Carbon Aerogel Films Synthesized at Ambient Conditions

Carbon aerogels derived from organic sol-gel process and supercritical drying are novel porous materials with interconnect structures and higher electrical conductivity, which are considered to be ideal electrode materials for supercapacitors and rechargeable batteries. The objective of the research was to synthesize carbon aerogel films at ambient conditions. Resorcinol formaldehyde (RF) and carbon aerogel films have been produced with extremely high RC ratio (molar ratio of resorcinol to catalyst) followed by subcritical drying. The structure of the porous films was investigated using electron scanning microscope. The specific surface area was measured by using nitrogen adsorption (BET) and electrical conductivity was measured with four-probe method. It was found that with extremely high RC ratio, the porous structure of RF and carbon aerogel films can be controlled from micro to macro porous at ambient conditions. With respect to the application as electrodes for fuel cells, carbon aerogel films with different porous structures on the two surfaces have been also obtained through optimizing the sol-gel process.     

壳聚糖/硝酸铁凝胶制备铁氮掺杂多孔碳片作为高效氧还原电催化剂的研究

以壳聚糖/硝酸铁凝胶为前躯体,实现了含氮高分子与金属盐的均匀混合,将凝胶冷冻干燥处理后,经过热处理和酸刻蚀得到了成分及微结构更加均匀的铁氮掺杂多孔碳片. 铁氮掺杂多孔碳片与商业铂碳相比,具有更高的起始电位,半波电位和优秀的循环性能,在碱性燃料电池的测试中实现了更高的功率密度. 铁氮掺杂多孔碳片出色的氧还原电催化性能归因于铁在壳聚糖中的原子级分散所导致的均匀分布的铁氮碳催化活性位,大的比表面积和均匀的孔道分布.     

太阳能驱动Ni-N掺杂多孔碳高效电催化还原CO2为CO

利用可再生能源将二氧化碳(CO2)电催化还原为有价值的化学品和燃料,不仅可缓解温室效应,而且可实现碳资源的循环利用。以蛋白胨与盐形成的凝胶为原料,经高温热解后制备了用于电还原CO2的Ni-N掺杂碳多孔催化剂。该催化剂表现出优异的电催化还原CO2为CO的性能,在电压为-0.66 V(vs.RHE)下,CO的法拉第效率为92.0%,过电位为550 mV,还原电流密度为2.5 mA·cm-2。该催化剂优异的CO2的电催化活性归因于其存在的Ni-N活性位点和高度多孔的结构。此外,利用太阳能电池产生的电能,该催化剂可持续进行CO2电催化还原为CO,为CO2的资源化利用提供了有价值的参考。     

ZIF-67衍生的Ag/Co@NC材料及其氧还原性能的研究

氮掺杂的多孔碳材料可作为氧还原反应的催化剂,本文借助ZIF-67富氮多孔的特殊结构,采用湿式逐步还原法将Ag嵌入ZIF-67孔腔内,然后在Ar中碳化成功地制备了Ag/Co双金属嵌入的氮掺杂的多孔碳复合材料（Ag/Co@NC）作为氧还原反应的催化剂. 为了证明Ag的突出作用,同时在Ar中碳化了ZIF-67制备了Co嵌入的氮掺杂的多孔碳材料（Co@NC）. 利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱以及比表面积分析对材料的显微形貌、物相组成、结构进行分析,采用循环伏安和线性扫描极化曲线对材料的氧还原催化活性和催化稳定性进行研究. 结果表明,Ag的嵌入未改变ZIF-67的晶体结构,但是大大提高了材料的氧还原催化活性. Ag/Co@NC材料的半波电位和起始电位均高于Co@NC材料,且其在1000次循环伏安测试前后的半波电位变化仅为30 mV,显示出很好的催化稳定性和甲醇耐受性,可作为燃料电池和金属-空气电池的阴极催化剂.