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宁波材料所在层级有序多孔碳材料研究取得新进展
日期:2018-01-16, 查看:284

多孔碳材料具有高表面积、孔结构可调、化学及物理性能稳定、原料丰富易得等优点,在气体或液体的吸收、分离、能源催化、及电存储等领域应用广泛。然而,与多孔金属、多孔聚合物等材料不同,一方面因碳材料键的极性较弱,导致超亲水多孔碳材料制备困难;另一方面,传统有机软模板复合无机硅硬模板的双模板法在制备多孔碳材料时存在蚀刻牺牲模板、孔结构层级有序可控难等缺点。

前期,受自然界植物本体结构的启发,团队成员利用有胚植物界植物的叶、茎、种子作为模板,通过酚醛树脂溶液浸泡复合后续热处理,提出了获得系列超亲水(接触角接近0°)仿生多孔碳材料的制备新方法(发明专利:201610986468.1),且该类材料在大气环境下的超亲水特性可长时间稳定(超过50天)。 

枫叶(a-b)、白菜(c-d)、松木(e-f)等作为硬模板制备仿生多孔碳材料的前后结构对比

近期,团队进一步与韩国科学技术研究院(KIST)材料计算研究中心合作,通过特殊设计的双模板法,实现了具有大孔-介孔层次有序结构的多孔碳材料制备,该材料具有优异的亲水性能和可控导电性。研究人员使用PET无纺布作为硬模板,嵌段聚合物F127作为软模板,酚醛树脂作为碳源,经过碳化,无纺布纤维分解产生了大孔通道,同时纤维表面的酚醛树脂成为碳骨架,其中的嵌段聚合物分解产生介孔结构。碳化后的酚醛树脂为亲水材料,大孔结构提供了水分运输的通道,介孔结构进一步增加了水与固体表面的接触面积,使得水在其表面迅速铺展并渗透。此外,调节碳化工艺参数,实现了导电性能的大幅调控。例如,在600 °C碳化1 min的多孔碳材料电阻率为5.43×103 Ωm,但在900 °C碳化60 min后电阻率急剧低至3.50×10-3 Ωm。此外,因多孔结构大比表面积利于溶液中导电粒子与材料的接触,研究人员发现该多孔碳材料在检测甲醇浓度时具有极高灵敏度。当甲醇溶液浓度从2 Mol/L增加至5 Mol/L,溶液电阻率从5.04 Ωm增加至 1.27×102 Ωm,变化约27倍,远高于现有文献报道的灵敏度。这一结果为发展水介质环境的高灵敏检测材料技术提供了新的设计思路。

双模板法制备多孔碳材料示意图、及多孔碳材料的形貌图

 

具有不同多孔结构的材料润湿性随时间变化

 

 

多孔碳材料用于H2O2检测的示意图,及不同孔结构在不同甲醇溶液浓度中的电阻变化

 

上述研究工作近期发表在Advance Engineering Materials, 00(2017)1700608 (DOI: 10.1002/adem.201700608)杂志上,并被Advanced Science News作为亮点新闻报道(http://www.advancedsciencenews.com/hierarchically-porous-carbon-fabric-highly-sensitive-electrochemical-sensors/)。Advanced Science NewsWiley学术出版集团的咨询网站,主要报导近期在其旗舰刊物上发表的重要研究成果。论文第一作者为博士生焦圆,团队汪爱英研究员和韩国科学技术研究院的Myong-Woon Moon研究员为共同通讯作者。该工作得到了国家基金委优秀青年基金(51522106)、国家留学基金委(201504910643)等项目的资助。