中國粉體網(wǎng)訊 多孔碳是一類具有孔結(jié)構(gòu)的碳材料。與石墨、碳納米管、富勒烯相同，多孔碳材料具備較好的穩(wěn)定性、較高的導(dǎo)電性和較好的機(jī)械性能等優(yōu)點(diǎn)。與石墨、碳納米管、富勒烯不同的是，多孔碳材料的孔尺寸大小具有可調(diào)性。這類碳材料已經(jīng)被應(yīng)用于很多領(lǐng)域，例如，氣體吸附、分離、存儲、超級電容器等領(lǐng)域。
制備多孔碳的來源（碳前驅(qū)體）豐富，常見的有生物質(zhì)、聚合物、含碳有機(jī)鹽等。采用不同的合成方法可以制備出具有不同形貌、不同孔尺寸的多孔碳，這對多孔碳的性能會有很大的影響。
多孔碳材料的種類
根據(jù)國際純粹與應(yīng)用聯(lián)合會（IUPAC）對孔尺寸的規(guī)定，可以將多孔碳劃分為微孔碳、介孔碳、大孔碳。微孔碳是指其孔尺寸小于2 nm；介孔碳是指其孔尺寸大于2 nm同時小于50 nm；大孔碳是孔尺寸大于50 nm的材料。根據(jù)碳的來源，可以分為活性炭、金屬有機(jī)骨架衍生碳、碳化有機(jī)鹽衍生碳、生物質(zhì)碳和多孔有機(jī)骨架衍生碳。
多孔碳材料的制備方法
采用不同的碳化方法制備出的多孔碳具有不同的形貌和結(jié)構(gòu)，這些都會直接影響其應(yīng)用。根據(jù)在碳化過程中是否添加活化劑，可將制備方法分為兩種：
（1）直接在氮?dú)饣驓鍤夥諊绿蓟�，不添加活化劑，為非活化法碳化法。這種制備多孔碳的方法相對簡單、高效、環(huán)保，較為適合規(guī)模化制備多孔碳。但是缺點(diǎn)突出，產(chǎn)率低，且需要較高的溫度，這勢必會增加能源消耗，提高生產(chǎn)成本。
此法常見的碳化過程主要有以下幾步，制備出多孔碳的前驅(qū)體（多孔有機(jī)骨架），設(shè)定碳化溫度在相應(yīng)的氛圍下碳化。研究者嘗試通入少量空氣，這可以降低碳化溫度。很多性能優(yōu)異的多孔碳已經(jīng)通過這種方法被制備出。
（2）添加活化劑碳化制備多孔碳。與第一種方法相比，活化碳化法碳化多孔有機(jī)骨架制備的多孔碳的BET比表面積相對較高，孔徑分布相對更均一。
活化碳化法根據(jù)活化劑的種類的不同，可以分為物理活化法和化學(xué)活化法，需要時也可將物理與化學(xué)活化法相結(jié)合。常見的方法是將前驅(qū)體與活化劑混勻，然后碳化。這種制備方法相對產(chǎn)率高，所需要的碳化溫度低，而且制備得到的碳材料比表面積高。但是需要用酸洗滌，除去殘留在孔道中的雜質(zhì)，防止顆粒較大的金屬氧化物堵塞孔道，影響其實(shí)際的應(yīng)用。
此方法的缺點(diǎn)是對設(shè)備腐蝕性很強(qiáng)，這無疑會增加應(yīng)用成本。報道最多的活化劑是氫氧化鉀，氯化鋅、硝酸鎂、氫氧化鈉、檸檬酸鉀等也有科研人員嘗試使用。氫氧化鉀制備多孔碳具有很多優(yōu)點(diǎn)，具有相對較高的比表面積，產(chǎn)率較高，還可適度地制造出一些孔。
多孔碳的應(yīng)用
（1）多孔碳在氣體吸附、分離和存儲領(lǐng)域的應(yīng)用
化石燃料的燃燒引起了嚴(yán)重的環(huán)境污染以及能源短缺，給人類的生活造成了很大的影響，因此，解決環(huán)境污染和能源短缺迫在眉睫。溫室氣體的捕獲與封存，以及開發(fā)利用H2、CH4等新型清潔能源是有效的方法，這就需要尋找高效的吸附劑。通過碳化多孔有機(jī)骨架制備出的多孔碳，具有孔徑可調(diào)的特點(diǎn)，并且增強(qiáng)了材料表面的電場，在一定程度上增強(qiáng)主客體間的相互作用，從而提高主體材料的氣體吸附性能。POFs衍生的多孔碳具有較高的比表面積等優(yōu)點(diǎn)，使其可以應(yīng)用于氣體吸附、分離及存儲。
（2）多孔碳材料在能量儲存與轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的應(yīng)用
超級電容器，是一種高效且無污染的儲能設(shè)備，已經(jīng)被用于通訊、交通以及航天航空領(lǐng)域，因?yàn)樗哂泄β拭芏雀摺⒊潆娝俣瓤�、能量轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長、安全無污染的優(yōu)點(diǎn)。電極材料作為超級電容器的關(guān)鍵組成，其性能的好壞，將會直接影響超級電容器的儲能性能。近幾十年，科研人員一直致力于研究將多孔碳材料作為超級電容器的電極材料，同時科研人員發(fā)現(xiàn)，材料的比表面積和孔分布是影響超級電容器性能的關(guān)鍵。因此，設(shè)計并制備出具有高比表面積的多孔碳將會在該領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
參考來源：閆婷婷：多孔有機(jī)骨架及其衍生的多孔碳的制備和性能的研究，吉林大學(xué)博士論文
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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