信息來源：Nature/ scientific reports

第一作者、通訊作者：Hosein Banna Motejadded Emrooz

通訊單位：伊朗科技大學(xué) 先進(jìn)技術(shù)學(xué)院 納米技術(shù)系

DOI:10.1038/s41598-021-01151-3

多孔碳材料具備高導(dǎo)電性和較大比表面積等特點(diǎn)，獲得廣泛的應(yīng)用。多孔碳材料可以通過幾種傳統(tǒng)的方法合成，包括硬模板法、軟模板法和碳化活化法。在軟硬模板技術(shù)中，含碳的前驅(qū)體圍繞一種結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑聚合，這種導(dǎo)向劑可以是另一種多孔材料，如多孔二氧化硅(硬模板)或一組兩親性分子(軟模板)。聚合后，通過化學(xué)處理或煅燒將軟模板或硬模板從結(jié)構(gòu)中除去。軟模板或硬模板法的主要優(yōu)點(diǎn)是可以調(diào)整孔隙大小和結(jié)構(gòu)，也可以合成有序的多孔碳材料。另一方面，這些方法的缺點(diǎn)是耗時和昂貴的過程，通常是由于需要使用昂貴的模板，并在合成過程后刪除模板。

通常采用天然或廢棄有機(jī)材料作為碳源進(jìn)行碳活化過程。在這種非常常見的技術(shù)中，碳前驅(qū)體在高溫下被氣體、液體或固體物質(zhì)蝕刻，這個過程中產(chǎn)生多孔隙結(jié)構(gòu)。炭活化技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是使用的前體相對廉價，大多包含如氮、磷、硫和氧等元素。另一方面，在一定程度上，不可控的孔隙形成過程、低收率以及合成和后合成過程中需要有害的酸或堿性化合物是影響其工業(yè)應(yīng)用的主要缺點(diǎn)。

選擇一種具有天然層次結(jié)構(gòu)的多孔碳材料合成技術(shù)顯得十分必要。Fechler等提出的合成多孔碳的鹽模板技術(shù)滿足了這一條件。在這種合成方法中，無機(jī)非碳化鹽與碳前驅(qū)體混合，在整個反應(yīng)過程中碳前驅(qū)體與鹽混溶，碳前驅(qū)體和鹽也可以溶解在溶劑中，在冷凝過程中，可以通過冷凍或加熱干燥，溶劑蒸發(fā)、鹽簇和加熱生成孔隙?？s聚產(chǎn)物的熱解使得模板蒸發(fā)和孔誘導(dǎo)進(jìn)入碳材料，這些產(chǎn)物與含碳前驅(qū)體反應(yīng)，并通過蝕刻工藝在碳結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生孔隙。通過適當(dāng)選擇鹽和熱解時間、溫度等工藝參數(shù)以及鹽和前驅(qū)碳的種類、比例等，可以調(diào)節(jié)孔隙大小和分布。

圖1合成泡沫在熱處理過程中的結(jié)構(gòu)發(fā)展(a)合成泡沫的X射線衍射圖，(b)在2、4和6 g Zn(NO₃)₂.6H₂O條件下制備泡沫的熱重分析，(c)碳泡沫的拉曼光譜

圖2合成的(CF-2)和熱解的(CF-2-1000)碳泡沫的FTIR光譜結(jié)果證實(shí)熱解泡沫表面存在C=C、C-N、C-O和C=O官能團(tuán)

圖3 (a)合成泡沫碳的N2吸附脫附；(b) BJH；(c)泡沫碳的MP分析；(d,e) CF-2和CF-2-1000的場發(fā)射掃描電鏡圖 (e) CF-6-1000的透射電鏡圖

圖4碳泡沫(CF-6-1000)的XPS光譜，(a)泡沫結(jié)構(gòu)中C、N和O元素XPS譜圖；(b)碳泡沫的C1s、N1s和O1s能譜。

以三聚氰胺和甲醛為氮、氧和碳前體，Zn(NO₃)₂.6H₂O和F127為模板，制備了含氮微孔泡沫碳材料。由不同含量的Zn(NO₃)₂.6H₂O和F127合成的泡沫碳材料的表征結(jié)果證實(shí)這些模板對多孔結(jié)構(gòu)形成的重要性。從添加F127合成的泡沫碳的比表面積(334.12 m² g^-1)和不添加F127的泡沫碳的比表面積(1.02 m² g^-1)的對比可以看出，F(xiàn)127的添加對多孔泡沫碳結(jié)構(gòu)影響很大。不同的六水硝酸鋅添加量對泡沫的比表面積也有明顯的影響。在熱分解過程中，氧化鋅顆粒對碳的石墨化有積極作用。