多孔碳材料分子設計的三種方法

多孔固體分子設計在過去二十年里中取得了巨大的成功。得益於其獨特的性質，多孔碳材料（尤其是活性碳 ）由於其獨特的性質已可作為分離介質持續使用。這篇發表於Elsevier旗下期刊Materials Today的文章探討了三種分子的設計方法，為今後的研究提供了新思路。

第一種：

無定形碳骨架「自下而上」法

首先是離子液體方法。Dai等人的研究證明，通過合適的合成功能性離子液體的初期形式可以熱合成碳參雜的納米多孔碳。可在 ILS 中加入腈類，在高溫條件下可以進行交聯反應。在這個假設下，IL 的結構信息可以轉移到碳材料中。

其次是手性前體法。Fuchs 等研究者通過手性氨基酸的甲基化製備手性咪唑鎓結構（ CIL ），以共晶鹽熔體中 CIL 的碳化得到了手性含碳材料。在熱處理和除硅之後，初始納米晶體纖維素的手性性質基本上保留在最終的介孔碳中。

研究人員還嘗試使用分子構建塊的凝聚與協調反應法。方法中所用到的間苯二酚-甲醛溶膠的凝膠縮聚主要用於納米材料的合成。研究中主要採用超臨界、冷凍或真空乾燥法，對碳微觀結構和孔隙度進行修改，形成產生氣凝膠、低溫凝膠或干凝膠。但是苯酚和間苯二酚具有毒性，因此找到無害的替代品是今後研究的方向。

還有石墨烯、石墨烯氧化、還原石墨烯氧化物和剝離石墨烯，都它們是製備夾心狀二維碳材料的理想2D 模板。在生成的2D 碳材料中引入微/介孔結構可以使比表面積增大，提高電解質的滲透性，有利於離子/電子傳輸，從而進一步改善電化學性能。不得不提的是，功能化石墨烯作為模板不僅可以合成2D 多孔碳，而且還可以合理控制不同原子成分、孔隙結構和厚度。

第二種：

對結晶含碳材料的「自下而上」法

研究人員還嘗試用低溫實現高結構控制和結晶含碳骨架材料的合成，例如共價有機框架（ COFs ）。在完全碳連接的2D 共軛共焦中，研究人員成功開發了Knoevenagel 縮合反應，使其與宏觀晶域為100μ m（2DPV-1in ）。另一個例子是在400° C 高溫下，芳香族亞硝酸鹽的自縮合反應形成結晶多孔共價三嗪框架（CTFs）。這種連接的優點是，可以使微孔的框架在水中具有很高的穩定性。

研究人員還發現，基於利用溶液或表面輔助的方法，可以產生不同的石墨烯納米帶GNRs。在超高真空條件下，硫磺、硼或氮摻雜的 GNRs和異質結構也已被證實。這些方法也適用於高真空和環境壓力中，使GNRs價格優廉的同時還具有高吞吐量。

第三種：

從結晶性無機材料開始的「自上而下」法

金屬有機框架（衍生碳MOF）是一種結晶多孔材料，該結構具有高比表面積、明確的孔徑分布和可調諧的化學結構。很多MOFs已被證明擁有光明前景，用於在氣體吸附、催化、能源和環境相關領域生產高孔隙率碳。

Lars Borchardt, Qi-Long Zhu, Mirian E.Casco, R

einhard Berger, Xiaodong Zhuang, Stefan Kaskel, Xinliang Feng, 和QiangXu探究的這三種方法具有很寶貴的研究意義。

儘管這個領域尚處於起步階段，但這些材料的應用領域非常廣泛：液態和氣態污染物的吸附分離、能量轉換、超級電容器、鋰電池、鋅空氣電池等等。在計算機等工具的輔助下，對於分子含碳材料領域的探索和篩選將有長遠的發展和進步，讓我們拭目以待。

英文原文作者：

Lars Borchardt, Qi-Long Zhu, Mirian E.Casco, Reinhard Berger, Xiaodong Zhuang, Stefan Kaskel, Xinliang Feng, Qiang Xu

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702117302043?via%3Dihub

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