多孔碳材料的制备与应用

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1、多孔碳材料的制备与应用摘要:多孔碳材料不仅具有碳材料化学稳定高、导电性好等优点，由于多孔结构的引入，还具有比表而积高、孔道结构丰富、孔径可调等特点，在催化、吸附和电化学储能等方而都得到了广泛的应用。本文综述了微孔、介孔、大孔及多级孔碳等多孔碳材料的最新研究进展，重点介绍了多孔碳孔道结构的调控，并对多孔碳材料的应用进行了展望。关键词:多孔碳；模板合成；活化合成；有序孔道Abstract:Porouscarbonwithlargespecificsurfacearea，tunableporousstructure，highstabilityandgoodelectronconducti

2、vity，hasattractedconsiderableattentionduetoitspromisingapplicationsinthefieldsofcatalyst，catalystsupport，absorptionandelectrochemicalenergystorage．Thismanuscriptreviewsrecentdevelopmentinthefabricationofmicroporouscarbon，mesoporouscarbon，macroporouscarbonandhierarchicallyporouscarbonwithbothor

3、deredanddisorderedporousstructures.Theso-calledsoft-andhard-templatemethodsareefficientintuningtheporousstructuresandmorphologiesofcarbonmaterials.Thepotentialapplicationsofporouscarbonmaterialsarealsohighlightedinthisreview．Keywordsporouscarbon:templatesynthesis;activationpreparation;24ordere

4、dporouschannels一．引言多孔碳材料是指具有不同孔结构的碳材料，其孔径可以根据实际应用的要求(如所吸附分子尺寸等)进行调控，使其尺寸处于纳米级微孔至微米级大孔之间。多孔碳材料具有碳材料的性质，如化学稳定性高、导电性好、价格低廉等优点;同时，孔结构的引入使其同时具有比表而积大、孔道结构可控、孔径可调等特点。多孔碳材料在气体分离、水的净化、色谱分析、催化和光催化及能量存储等领域得到了广泛的应用。按照国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)的定义，可以根据多孔碳材料的孔直径将其分为三类:微孔(小于2nm);介孔(2-50nm)和大孔(大于50nm)。而根据多孔碳材料的结构特点，

5、又可以将其分为无序多孔碳材料和有序多孔碳材料。其中无序多孔碳材料的孔道不是长程有序，孔道形状不规则，孔径大小分布范围宽。活性炭是无序多孔碳材料的典型代表，也是最早得到工业化应用的多孔碳材料。由于活性炭孔结构主要由微孔组成，且孔径不均一，限制了其在大分子(或者离子)体系(如聚合物、染料、生物大分子的吸附及超级电容器等方而)的应用。有序多孔碳材料具有孔道有序性，孔道形状和孔径尺寸可以得到很好的控制，且孔径分布范围窄。在有序多孔碳材料中研究比较多的材料是有序介孔碳，如CMK-3，其孔径在介孔范围内，一般可以利用有序介孔二氧化硅SBA-15作为硬模板合成而得。多孔碳材料的制备方法多种多样，

6、常用的制备方法有以下两类:(1)活化法:活化法是制备多孔碳材料的传统方法，包括:(a)化学活化、物理活化或物理化学活化联用;(b)碳前驱体的催化活化;(c)可碳化和热解的高分子聚合物混合碳化;(d)高分子气凝胶的碳化;(e)生物质的碳化活化。利用这些传统的碳化活化方法制得的往往是无序多孔碳材料，很难控制其孔道形状和孔径。24(2)模板法:模板法是利用模板来有效控制孔结构，从而制备出结构有序、孔径均一的材料的方法。根据使用的模板的不同，模板法可以分为以下几种:(a)软模板法，是一种直接合成有序介孔碳的方法，通过碳前驱体(如酚醛树脂)与软模板(主要是表而活性剂)相互作用进行自组装，然后

7、将碳前驱体碳化得到多孔碳材料;(b)硬模板法，利用一种具有特殊孔结构的材料作为硬模板，在其孔道中引入碳前驱体，经过碳化和除去硬模板得到具有特殊孔结构的多孔碳材料(图1)[1]双模板法，利用硬模板(如多孔阳极氧化铝和PS小球)来控制碳材料的形貌或者大孔的形成，同时利用软模板来控制有序介孔孔道的形成，从而得到具有等级孔道结构的多孔碳材料。模板法的突出优点是具有良好的结构可控性，这开辟了多孔碳制备的一个新途径。图1多孔碳材料的硬模板合成路线［1］Fig．1a)Schemat