南开大学等:综述-聚合物衍生的杂原子掺杂多孔碳材料

发布时间:20-09-0215:35

本文要点

杂原子掺杂多孔碳材料(HPCMs)在吸附/分离、有机催化、传感和能量转换/存储等领域有着广泛的应用。碳前驱体的选择是制造具有特定用途和功能最大化的高性能HPCMs材料的关键。在这方面,作为前驱体的聚合物因其通用的分子和纳米级结构,可调节的化学组成以及丰富的加工技术(这些技术结合固态化学作用,可以在整个碳化过程中得到保持)而产生了广阔的前景。

南开大学王鸿与国外研究人员合作在《Chem. Rev》期刊发表名为“Polymer-Derived Heteroatom-Doped Porous Carbon Materials”的综述,研究从如何产生和控制其孔隙率,杂原子掺杂效应,形貌及其相关用途等方面全面综述了聚合物衍生的功能性HPCM的进展。

第一,我们总结并讨论了合成方法,包括硬和软模板方法以及采用聚合物控制HPCM和/或杂原子的直接合成策略。

其次,我们总结了杂原子掺杂对HPCM的热稳定性,电子和光学性质以及表面化学的影响。具体地,讨论了杂原子掺杂效应,其涉及单类型杂原子掺杂和两种或更多种类型的杂原子共掺杂到碳网络中。

考虑到HPCM的形态在其应用范围内的重要性,提出了合适的聚合物前体的潜在选择以及精确调节HPCM的形态的策略。最后,我们提供了有关如何通过使用聚合物来预定义HPCM的结构的观点,以实现其在当前能量产生/转化和环境修复领域中的潜在应用。

该工作对于系统地了解聚合物衍生的碳材料具有重要意义,并且HPCM的设计提供指导。

综合方法

通过将富含杂原子的聚合物作为前驱体进行热解或通过将预制的多孔碳用含杂原子的前驱体进行后合成处理来制备杂原子掺杂的多孔碳。前者可以将杂原子均匀地添加到整个多孔碳基体中,而后者通常仅将杂原子加载到碳表面上。有时,两种方法结合在一起可以使杂原子负载最大化。每种合成途径都可能在结构中产生具有不同优点和缺点的多孔碳。在本节中,系统地讨论了聚合物衍生的HPCM的合成方法。图1总结了两种主要策略,包括模板和直接合成。

图1.合成聚合物衍生的HPCM的两条通用路线的示意图。

杂原子对多孔碳的掺杂作用

化学掺杂是调节碳材料的最流行方法之一(图2)。杂原子整合到碳基体中不可避免地会导致结构变形并改变电子能带结构,从而改变物理化学特性,例如热稳定性,电子和光学特性,表面化学和磁性。这赋予碳材料以催化,环境和能源技术可调节的功能。

在本节中,将从合成,理论模拟和应用的角度广泛讨论杂原子掺杂以调整多孔碳的功能,从而对如何为目标功能掺杂碳材料提供扎实的理解。尽管这里讨论的掺杂效应对于能量和催化领域的应用很重要,但它们将排除金属原子的掺杂效应。氧掺杂也被排除在外,因为许多多孔碳材料在生产时已经在高温下被空气氧化到一定程度而含有氧。

图2.各种杂原子掺杂碳的结构示意图。

多孔碳的形态控制

除了固有的化学组成外,杂原子掺杂碳的形态还与电子性能和相应的电化学性能有关。表面积和质量传输能力能力在0D纳米颗粒,1D纤维和管,2D薄片和3D块体之间差异很大。因此,碳形态的选择以在文献中被广泛研究。在本节中,我们重点介绍了与多孔碳有关的一些特别有趣的形态,这些形态源自从多孔粒子到纤维,纳米管,薄膜和独立膜的聚合物,以及它们相应的加工技术和具体应用(图3)。

图3.具有不同形态的碳材料的示意图。

源于聚合物的杂原子掺杂碳的工程

活性炭的关键特征是它们的高表面积和孔结构,从而增加了对客体分子的吸收能力。在这方面,孔隙度在确定其材料性能方面起着关键作用。孔径分布(微孔,中孔和大孔以及分层孔)是一种固有的特性,它决定了外部形态之外的表面积和质量传输能力能力。在本节中,总结了在衍生自聚合物的杂原子掺杂碳中工程化孔隙的策略

小结

当前,有关HPCM的最新研究是面向应用程序的,涵盖了吸附/分离,催化和能量转换/存储领域。我们相信,通过精心设计各种规模的结构,HPCM的使用可以轻松扩展到其他领域,例如水净化和有价值的有机物的电子合成,以及“智能”执行器和柔性电子产品。此外,利用聚合物作为碳化前体使得能够实现更复杂的碳形态,例如各向异性碳,分级碳和手性碳等。这些形态通常很难通过其他不含聚合物的方法获得。通过仔细地设计聚合物的组成,也可以系统地操纵所得碳的电子结构。通过使用 SAC,预先设计的聚合物作为碳前体来实现Mott–Schottky效应,甚至FLP化学作用。因此,我们鼓励研究人员进一步探索这一令人兴奋的领域,发现更多有趣的碳材料,并寻求其新颖的应用。

文献:

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