Простой и эффективный метод синтеза углеродных материалов

Благодаря своей идеальной химической стабильности, высокой электропроводности и уникальной микроструктуре, углеродные материалы (CM) обладают отличными прикладными потенциалами в различных областях. Обычно КМ синтезировали путем карбонизации природных продуктов с низким паром или синтетических полимеров.

Получение СМ. (A) Схематическая иллюстрация процесса подготовки КМ. (B) Структуры исследуемых ЗВО для подготовки КМ. (Image credit: YU Shuhong)

Однако они имеют очевидные недостатки, такие как проблемы в настройке химических составов и микроструктур полученных продуктов или сложных и медленных процессов полимеризации. На сегодняшний день по-прежнему крайне сложно разработать недорогостоящую, легко контролируемую и высоко контролируемую технику для крупномасштабного производства КМ с желаемыми структурами и составляющими.

Недавно исследовательская группа, возглавляемая профессором Ю. Шухоном и профессором Лян Хайвей из Университета науки и технологий Китая (USTC), предложила простой, универсальный и эффективный метод синтеза ряда функциональных КМ из небольших органических молекул (ЗВОЛ) с использованием процесса карбонизации с использованием переходного металла. Это исследование, озаглавленное «карбонизация карбонатом с малым количеством органических молекул в переходных металлах по отношению к функциональным углеродным материалам», было опубликовано в журнале Science Advances от 27 июля 2018 года (Science Advances 2018, 4, eaat0788).

Малые органические молекулы (ЗВОЛ) обладают некоторыми уникальными преимуществами в качестве прекурсоров для синтеза КМ, таких как сравнительно низкая стоимость, общая доступность и разнообразные виды элементов с различным содержанием. Более ранние попытки преобразования ЗВОЛ в КМ практически зависели от суровых условий синтеза, например, от химического осаждения из паровой фазы, пиролиза в герметичных реакторах или ионотермической карбонизации на основе солевых расплавов из-за высокой летучести ЗВОЛ при оцененных температурах

Чтобы преодолеть это, исследовательская группа, возглавляемая профессором Юй Шухоном и профессором Лян Хайвэй, разработала технику карбонизации ЗВОЛ с использованием переходных металлов. Переходные металлы обладают способностью катализировать предпочтительное образование термически стабильных промежуточных полимерных структур и, следовательно, предотвращают непосредственную сублимацию ЗВОЛ во время процесса нагрева, тем самым гарантируя успешный синтез СМ с высоким выходом углерода

Ученые обнаружили, что в общей сложности 9 ТМС и 15 ЗВОЛ могут быть соответственно использованы в качестве катализаторов и предшественников углерода для синтеза КМ. Кроме того, в технике можно использовать два жестких шаблона для улучшения пористости полученных КМ. Результаты исследования показывают, что метод эффективен, прост и универсален для синтеза КМ.

Синтезированный СМ продемонстрировал три отличительные видные микроструктуры (включая наносеки размером в микрометр, бамбукоподобную многослойную углеродную нанотрубку и нерегулярные частицы), которые в значительной степени зависели от молекулярных структур ЗВОЛ. Кроме того, КМ имели большие объемы пор, высокие удельные площади поверхности, обильные гетероатомы, а также высокографитовые структуры.

Следовательно, КМ проявлял исключительные прикладные потенциалы для гетерогенного катализа, например гидрирование нитробензола, селективное окисление этилбензола и электрокатализ, такие как реакция восстановления кислорода и реакция выделения водорода. Это исследование открывает двери для производства КМ с желаемыми структурами и составляющими.

Данное исследование было поддержано Национальным фондом естественных наук Китая, Фондом инновационных исследовательских групп Национального фонда естественных наук Китая, Основной исследовательской программой пограничных наук, Национальной программой фундаментальных исследований Китая, пользователями с грантом «Превосходство и научные исследования» Научного центра CAS «Хэфэй», «Программа найма глобальных экспертов», «Национальная постдокторская программа инновационных талантов», «Фонд почтовых докторантов Китая», Фонд фундаментальных исследований для центральных университетов.

Source link