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基本信息

項目名稱：
蠕蟲孔炭材料的孔徑調(diào)控研究
小類：
能源化工
簡介：
蠕蟲孔炭材料在能源、催化劑、吸附等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但是，目前所能制備的蠕蟲孔炭材料孔徑相對較小（1.6～4.0 nm），極大地限制了它的應(yīng)用。本作品首次利用HF催化調(diào)控硅模板的凝膠骨架尺寸，合成出孔徑高達8.5 nm的新穎蠕蟲孔炭材料，將可能極大地拓展蠕蟲孔炭材料的應(yīng)用范圍。
詳細(xì)介紹：
蠕蟲孔炭材料含有獨特的三維蠕蟲狀納米孔道結(jié)構(gòu)并具有高比表面積和大孔容，在能源、催化劑、吸附等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但是，目前所能制備的蠕蟲孔炭材料孔徑相對較小，一般而言在1.6～4.0 nm之間，這極大地限制了它的應(yīng)用（例如，需要快速傳質(zhì)的高功率儲能器件、大分子吸附劑等）。據(jù)我們所知，氫氟酸（HF）可以有效地調(diào)節(jié)正硅酸乙酯（TEOS）的溶膠－凝膠過程，進而控制硅凝膠骨架的形貌及尺寸?；诖耍疚氖状螆蟮懒艘环N通過HF來催化調(diào)控蠕蟲孔炭材料孔結(jié)構(gòu)的方法。通過該法，高達8.5 nm的大孔徑蠕蟲孔炭材料被成功地合成出來，將極大拓寬它的應(yīng)用范圍。

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

作為一種新穎納米炭材料，蠕蟲孔炭材料含有獨特的三維蠕蟲狀納米孔道結(jié)構(gòu)，高比表面積和大孔容，在能源、催化劑、環(huán)境等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。但是，蠕蟲孔炭材料的孔徑較?。?.6～4.0 nm），極大地限制了它的應(yīng)用。因此，實現(xiàn)其孔徑在較大尺寸范圍內(nèi)的調(diào)控，是決定它獲得廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。據(jù)我們所知，氫氟酸可以有效調(diào)控正硅酸乙酯的凝膠尺寸，從而調(diào)控蠕蟲孔炭材料的孔徑大小，突破它的應(yīng)用限制。

科學(xué)性、先進性及獨特之處

針對目前蠕蟲孔炭材料的孔徑低于4 nm而導(dǎo)致它在很多領(lǐng)域無法應(yīng)用的缺點（例如，需要快速傳質(zhì)的高功率儲能器件、大分子吸附劑等），本作品首次利用HF催化調(diào)控硅模板的凝膠骨架尺寸，合成出孔徑高達8.5 nm的新穎蠕蟲孔炭材料，從而可能突破它的應(yīng)用限制。

應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義

將蠕蟲孔炭材料的孔徑從4 nm拓展到8.5 nm，極大拓寬了它的應(yīng)用范圍。例如，很多生物大分子的尺寸在4-10 nm，目前的蠕蟲孔炭材料無法對其吸附分離，而我們的大孔徑蠕蟲孔炭材料具有與之匹配的孔尺寸，將能有效地對其吸附分離。再如，理想的超級電容器用炭材料應(yīng)具有優(yōu)異的電解液傳輸性能，目前的蠕蟲孔炭材料孔徑小、缺乏傳質(zhì)通道，而我們的大孔徑蠕蟲孔炭材料具有良好的傳質(zhì)通道，將具備更好的電化學(xué)性能。

學(xué)術(shù)論文摘要

蠕蟲孔炭材料含有獨特的三維蠕蟲狀納米孔道結(jié)構(gòu)并具有高比表面積和大孔容，在能源、催化劑、吸附等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但是，目前所能制備的蠕蟲孔炭材料孔徑相對較小，一般而言在1.6～4.0 nm之間，這極大地限制了它的應(yīng)用（例如，需要快速傳質(zhì)的高功率儲能器件、大分子吸附劑等）。 據(jù)我們所知，氫氟酸（HF）可以有效地調(diào)節(jié)正硅酸乙酯（TEOS）的溶膠－凝膠過程，進而控制硅凝膠骨架的形貌及尺寸?；诖?，本文首次報道了一種通過HF來催化調(diào)控蠕蟲孔炭材料孔結(jié)構(gòu)的方法。通過該法，高達8.5 nm的大孔徑蠕蟲孔炭材料被成功地合成出來。 透射電鏡觀察到：當(dāng)HF與TEOS的摩爾比（HF/TEOS）從0增大到1/7，所得樣品孔形貌呈蠕蟲狀，孔尺寸明顯變大。當(dāng)HF/TEOS增大到1/5，樣品的孔結(jié)構(gòu)由蠕蟲狀變?yōu)榕菽瓲?。因此，HF/TEOS＝0-1/7被推薦。利用N2吸附法分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)HF/TEOS從0增大到1/7，蠕蟲孔炭材料的中孔孔徑由3.1 nm增大到8.5 nm，相應(yīng)地，其中孔比表面積和BET比表面分別由1265 m2/g和1372 m2/g降低到538 m2/g和659 m2/g。

獲獎情況

1.Pore size control of wormholelike mesoporous carbons. Carbon, 2009, 47, 916-918. 2.蠕蟲孔炭材料的孔徑調(diào)控研究. 中國化學(xué)會第14屆反應(yīng)性高分子會議論文集，2008年11月，廣州，160-162

鑒定結(jié)果

參考文獻

1. D. C. Wu, Y. R. Liang, X.Q. Yang, Z. H. Li, C. Zou, X. H. Zeng, G. F. Lv, R.W. Fu. Direct fabrication of bimodal mesoporous carbon by nanocasting. Microp Mesop Mater 2008 . 2. D. Kawashima, T. Aihara, Y. Kobayashi, T. Kyotani, A. Tomita. Preparation of mesoporous carbon from organic polymer/silica nanocomposite. Chem Mater 2000; 12: 3397-401. 3. J. B. Pang, Q. Y. Hu, Z. W. Wu, J. E. Hampsey, J. B. He, Y. F. Lu. Direct synthesis of unimodal and bimodal nanoporous carbon. Microp Mesop Mater 2004; 74: 73-78. 4. B. H. Han, W. Z. Zhou, A. Sayari. Direct preparation of nanoporous carbon by nanocasting. J Am Chem Soc 2003; 125: 3444-5. 5. S. Han, M. Kim, T. Hyeon. Direct fabrication of mesoporous carbons using in-situ polymerized silica gel networks as a template. Carbon. 2003; 41:1525-32.

同類課題研究水平概述

納米炭材料具有可控納米結(jié)構(gòu)、高孔隙率、高電導(dǎo)率和優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性等優(yōu)點，在能源、催化劑、環(huán)境等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。納米炭材料主要有活性炭、活性炭纖維、炭納米管、有序中孔炭、炭氣凝膠和蠕蟲孔炭材料等。其中，蠕蟲孔炭材料是最近幾年發(fā)展起來的一類新穎中孔炭材料，它不僅具有獨特的三維蠕蟲狀納米孔道結(jié)構(gòu)、高比表面積和大孔容，而且原料易得、價格低廉、制備工藝簡單環(huán)保，是很有應(yīng)用前景的納米炭材料，已成為功能材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一。 然而，根據(jù)前人的研究結(jié)果，目前的蠕蟲孔炭材料存在一個明顯的不足之處：孔徑小且不易調(diào)控，通常在1.6-4.0 nm之間。例如：Kyotani T.[1]，Sayari A.[2] , Hyeon T.[3]等分別利用正硅酸乙酯（TEOS）、正硅酸甲酯（TMOS）和NaSiO3為硅源合成了孔徑分別為4.0 nm、1.6 nm和3.0 nm的蠕蟲孔炭材料。顯然，這樣的孔結(jié)構(gòu)缺陷極大地限制了蠕蟲孔炭材料在很多領(lǐng)域的應(yīng)用。例如，很多生物大分子的尺寸在4-10 nm，目前的蠕蟲孔炭材料無法對其有效地吸附分離。又如，理想的超級電容器用納米炭材料應(yīng)該具有優(yōu)異的電解液傳輸性能（這需要具有4 nm以上的孔洞作為傳質(zhì)通道），而目前的蠕蟲孔炭材料孔徑偏小、缺乏傳輸通道。 因此，合成出較大中孔孔徑的蠕蟲炭材料，是決定蠕蟲孔炭材料能否在上述應(yīng)用領(lǐng)域取得突破的關(guān)鍵所在，具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值。本論文首次利用HF催化調(diào)控硅模板的凝膠骨架尺寸，合成出孔徑高達8.5 nm的新穎蠕蟲孔炭材料，這將極大地拓展蠕蟲孔炭材料的應(yīng)用范圍。 參考文獻 [1] Kawashima D, Aihara T, Kobayashi Y, Kyotani T, Tomita A. Chem Mater 2000; 12: 3397-401. [2] Han BH, Zhou WZ, Sayari A. J Am Chem Soc 2003; 125: 3444-5. [3] Han S, Kim M, Hyeon T. Carbon. 2003; 41:1525-32.
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