多孔碳：結構設計與應用研究

2020-09-07 邃瞳科學雲

第一作者：田文婕（阿德萊德大學）

通訊作者：王少彬（阿德萊德大學），孫紅旗（艾迪斯科文大學）

DOI: 10.1002/adfm.201909265.


本文亮點

1.總結了納米多孔碳材料在水處理、二氧化碳吸附、鋰離子電池、鋰硫電池、鋰金屬陽極、鈉離子電池、鉀離子電池、超級電容器和電催化領域裡的應用及構效關係。


2. 綜述了多孔碳的最新合成策略。通過組織調控得到具有微孔、介孔、大孔、多級孔、有序孔或石墨化的碳等結構的多孔碳材料，並介紹了多孔碳在不同領域中的應用。最後，對碳材料面臨的挑戰和未來的發展前景提出了一些見解。


前沿

2020年4月，Advanced Functional Materials 期刊在線發表了澳大利亞阿德萊德大學王少彬教授團隊在多孔碳領域的最新綜述文章。該工作總結了多化碳材料在環境與能源領域應用的構效關係，並綜述了多孔碳合成與結構調控的最新進展及其在不同領域中的應用研究。


研究背景

多孔碳材料在各種能源和環境相關的應用中表現出了優異的性能。在過去的幾十年裡，人們在納米多孔碳的孔徑、表面化學和結構等方面進行了大量的協同設計和調控。對於如何合成各種具有優異結構和性質的多孔碳以用於特定領域，目前還缺乏一個全面的比較與總結。在此，本文綜述了結構導向多孔碳的設計和及其在典型環境和能源領域裡的應用。


圖文解析

如圖1-4所示，本文分別總結了比表面積、孔體積、孔徑、石墨化程度、表面官能團對多孔碳在水處理、CO2吸附、鋰離子電池 (LIBs)、鋰硫電池 (LSBs)、鋰-金屬 (Li-metal) 陽極，鈉離子電池 (NIBs)， 鉀離子電池 (KIBs)，超級電容器和電催化氧還原反應 (ORR)中的性能具有不同的作用。優異的性能取決於對碳材料的組織(孔體積、孔徑、石墨化程度) 和表面化學的合理控制，以滿足不同領域的具體要求。

圖1. 多孔碳在水處理吸附與催化高級氧化去除有機汙染物中的構效關係

圖2. 多孔碳在礦物燃料燃燒前與燃燒後過程中CO2吸附的構效關係


圖3. 多孔碳作為電極材料在a) 鋰離子電池 (LIBs)，b) 鋰硫電池(LSBs)，c)鋰-金屬 (Li-metal) 陽極，d) 鈉離子電池 (NIBs)， e) 鉀離子電池 (KIBs)，f) 超級電容器中的構效關係


圖4. 多孔碳在鹼性介質電催化氧還原中的構效關係


在接下來的章節中，該文以下幾個方面進一步總結了近年來多孔碳的結構設計，即微孔碳材料(石墨化的微孔碳、無序微孔碳)、介孔碳材料 (有序介孔碳、無序介孔碳)、大孔碳材料和多級孔結構的碳材料 (基於生物質製備的多級孔碳材料、基於MOF製備的多級孔碳材料、具有多級孔結構的碳球、有序多級孔碳材料、石墨化的多級孔碳材料)。


總結與展望

本文將有助於人們更有效地了解多孔碳組織性質調控的方法，以及多孔碳在多種用途上應用的可能性。但是在某些情況下，預期的性質可能並不總是對性能產生積極的影響。例如，一方面來說，雜原子改性碳材料可以有效地引入活性位點，但過度摻雜可能會破壞多孔結構，而某些原子 (如氧) 的過量可能會損害碳的電導率。對於納米孔碳的未來發展，有必要對其結構-功能關係進行更深入系統的了解，合理控制合成與結構調控以適應不同應用的需要。例如，不同前驅體的選擇如何影響多孔碳的結構、形貌和性質，不同的孔形貌如何影響吸附、催化或能源相關的性能，等等。同時，在製備碳材料過程中降低廢物的產生、減少能源和材料的消耗、發展經濟型低汙染或無汙染的方法、並從生物質或其它可再生的前驅體製備功能化納米多孔碳，是至關重要的。總的來說，納米多孔碳已經對世界產生了革命性的影響，進一步優化納米多孔碳的結構、合成工藝以及在環境、能源和其他方面的應用都存在著巨大的研究潛力與價值。


作者介紹

孫紅旗教授，澳洲埃迪斯科文大學工程學院全職教授，校長特聘教授級研究員。同時任RSC Advances副主編和Frontiers in Nanotechnology專業主編。2008年博士畢業於南京工業大學，師從金萬勤教授和徐南平院士。歷任科廷大學博士後研究員，青年研究員，高級研究員，及埃迪斯科文大學副教授。孫博士長期從事高級氧化、光催化、光-熱催化、光-電催化及膜催化研究，迄今發表SCI論文200餘篇，ESI高引論文30篇。基於谷歌學術，論文引用15500餘次，h因子達76，並於2019年入選全球高被引科學家（科睿唯安）。


王少彬教授，擔任澳大利亞阿德萊德大學化學工程與先進材料學院終身教授，主要從事新型納米材料開發、環境催化、二氧化碳儲存與轉化以及太陽能利用等領域的研究。在Acc. Chem. Res., Adv. Mater., Angew. Chem., Int. Ed., Matter, Environ. Sci. Technol.、ACS Catal.、Water Res.等國際期刊發表學術論文超過500篇，含ESI高被引文章50餘篇，Google Scholar總引用39,000餘次，h-index為111。同時，擔任Chemical Engineering Journal Advances副主編和Journal of Colloid and Interface Science聯合編輯，也是科睿唯安（Clarivate Analytics）/湯姆森路透（Thomson Reuters）工程領域的2016-2019年的全球高被引科學家。（課題組長期招收高級氧化、光/光電催化、納米/二維/多孔材料、納米發動機、理論計算等方向的PhD，如有意向可發郵件至xiaoguang.duan@adelaide.edu.au）

課題組主頁：

www.shaobin-group-uoa.net

王老師主頁：

https://researchers.adelaide.edu.au/profile/shaobin.wang


文獻來源：Tian, W., Zhang, H., Duan, X., Sun, H., Shao, G., Wang, S., Porous Carbons: Structure‐Oriented Design and Versatile Applications. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1909265. https://doi-org.proxy.library.adelaide.edu.au/10.1002/adfm.201909265


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