南開大學等：綜述-聚合物衍生的雜原子摻雜多孔碳材料

本文要點

雜原子摻雜多孔碳材料(HPCMs)在吸附/分離、有機催化、傳感和能量轉換/存儲等領域有著廣泛的應用。碳前驅體的選擇是製造具有特定用途和功能最大化的高性能HPCMs材料的關鍵。在這方面，作為前驅體的聚合物因其通用的分子和納米級結構，可調節的化學組成以及豐富的加工技術（這些技術結合固態化學作用，可以在整個碳化過程中得到保持）而產生了廣闊的前景。

南開大學王鴻與國外研究人員合作在《Chem. Rev》期刊發表名為「Polymer-Derived Heteroatom-Doped Porous Carbon Materials」的綜述，研究從如何產生和控制其孔隙率，雜原子摻雜效應，形貌及其相關用途等方面全面綜述了聚合物衍生的功能性HPCM的進展。

第一，我們總結並討論了合成方法，包括硬和軟模板方法以及採用聚合物控制HPCM中孔和/或雜原子的直接合成策略。

其次，我們總結了雜原子摻雜對HPCM的熱穩定性，電子和光學性質以及表面化學的影響。具體地，討論了雜原子摻雜效應，其涉及單類型雜原子摻雜和兩種或更多種類型的雜原子共摻雜到碳網絡中。

考慮到HPCM的形態在其應用範圍內的重要性，提出了合適的聚合物前體的潛在選擇以及精確調節HPCM的形態的策略。最後，我們提供了有關如何通過使用聚合物來預定義HPCM的結構的觀點，以實現其在當前能量產生/轉化和環境修復領域中的潛在應用。

該工作對於系統地了解聚合物衍生的碳材料具有重要意義，並且HPCM的設計提供指導。

綜合方法

通過將富含雜原子的聚合物作為前驅體進行熱解或通過將預製的多孔碳用含雜原子的前驅體進行後合成處理來製備雜原子摻雜的多孔碳。前者可以將雜原子均勻地添加到整個多孔碳基體中，而後者通常僅將雜原子加載到碳表面上。有時，兩種方法結合在一起可以使雜原子負載最大化。每種合成途徑都可能在結構中產生具有不同優點和缺點的多孔碳。在本節中，系統地討論了聚合物衍生的HPCM的合成方法。圖1總結了兩種主要策略，包括模板和直接合成。

圖1.合成聚合物衍生的HPCM的兩條通用路線的示意圖。

雜原子對多孔碳的摻雜作用

化學摻雜是調節碳材料的最流行方法之一（圖2）。雜原子整合到碳基體中不可避免地會導致結構變形並改變電子能帶結構，從而改變物理化學特性，例如熱穩定性，電子和光學特性，表面化學和磁性。這賦予碳材料以催化，環境和能源技術可調節的功能。

在本節中，將從合成，理論模擬和應用的角度廣泛討論雜原子摻雜以調整多孔碳的功能，從而對如何為目標功能摻雜碳材料提供紮實的理解。儘管這裡討論的摻雜效應對於能量和催化領域的應用很重要，但它們將排除金屬原子的摻雜效應。氧摻雜也被排除在外，因為許多多孔碳材料在生產時已經在高溫下被空氣氧化到一定程度而含有氧。

圖2.各種雜原子摻雜碳的結構示意圖。

多孔碳的形態控制

除了固有的化學組成外，雜原子摻雜碳的形態還與電子性能和相應的電化學性能有關。表面積和質量傳輸能力能力在0D納米顆粒，1D纖維和管，2D薄片和3D塊體之間差異很大。因此，碳形態的選擇已在文獻中被廣泛研究。在本節中，我們重點介紹了與多孔碳有關的一些特別有趣的形態，這些形態源自從多孔粒子到纖維，納米管，薄膜和獨立膜的聚合物，以及它們相應的加工技術和具體應用（圖3）。

圖3.具有不同形態的碳材料的示意圖。

源於聚合物的雜原子摻雜碳的工程

活性炭的關鍵特徵是它們的高表面積和孔結構，從而增加了對客體分子的吸收能力。在這方面，孔隙度在確定其材料性能方面起著關鍵作用。孔徑分布（微孔，中孔和大孔以及分層孔）是一種固有的特性，它決定了外部形態之外的表面積和質量傳輸能力能力。在本節中，總結了在衍生自聚合物的雜原子摻雜碳中工程化孔隙的策略

小結

當前，有關HPCM的最新研究是面向應用程式的，涵蓋了吸附/分離，催化和能量轉換/存儲領域。我們相信，通過精心設計各種規模的結構，HPCM的使用可以輕鬆擴展到其他領域，例如水淨化和有價值的有機物的電子合成，以及「智能」執行器和柔性電子產品。此外，利用聚合物作為碳化前體使得能夠實現更複雜的碳形態，例如各向異性碳，分級碳和手性碳等。這些形態通常很難通過其他不含聚合物的方法獲得。通過仔細地設計聚合物的組成，也可以系統地操縱所得碳的電子結構。通過使用 SAC，預先設計的聚合物作為碳前體來實現Mott–Schottky效應，甚至FLP化學作用。因此，我們鼓勵研究人員進一步探索這一令人興奮的領域，發現更多有趣的碳材料，並尋求其新穎的應用。

文獻：