首次實(shí)現(xiàn)在空氣中制備碳材料

●創(chuàng)新點(diǎn)

碳材料具有多變的晶體結(jié)構(gòu)、孔徑和形態(tài)，已被廣泛應(yīng)用于能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換、柔性可穿戴電子產(chǎn)品、海水淡化、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。通常，人們需要在無氧環(huán)境和惰性氣體的保護(hù)下，將有機(jī)化合物加熱至600 ℃～1 000 ℃進(jìn)行碳材料的制備。上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院劉巍教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新型二元?jiǎng)討B(tài)鹽包覆方法，成功實(shí)現(xiàn)了在空氣中制備碳材料，大大降低了制備成本。

●方法和結(jié)果

首先，研究團(tuán)隊(duì)將不同比例的碳前體和一種氯化鈉鹽混合物磨成粉并壓制成核，然后通過干壓和冷等靜壓將溴化鉀鹽作為殼包覆在核上，用于后續(xù)的空氣熱處理。鹽的動(dòng)態(tài)變化需要經(jīng)歷4個(gè)重要階段：首先，壓制的溴化鉀球殼具有良好的密封性，可防止熱處理過程中空氣的侵入；然后，在200 ℃～400 ℃時(shí)，碳前體在碳化過程中產(chǎn)生水蒸氣和其他氣體，從由Cl 和Br 元素不同擴(kuò)散速率形成的通道中排出；接著，在400 ℃～600 ℃時(shí)，氣體全部排出后，殼內(nèi)的鹽粒逐漸燒結(jié)成致密的陶瓷，通道封閉；最后，在600 ℃～800 ℃時(shí)，核殼界面處的部分鹽熔化，進(jìn)一步密封碳產(chǎn)物并阻止其氧化。因此，動(dòng)態(tài)鹽包覆體系既可以保證碳前體的氣體釋放，又可以在碳化過程中阻斷外界空氣。最后，用去離子水洗滌該顆粒即可得到碳材料。研究表明，通過該方法制備碳材料的產(chǎn)率與在惰性氣體中制備碳材料的產(chǎn)率已經(jīng)非常接近。

應(yīng)用前景

該方法使用的碳源非常廣泛，包括小分子（如葡萄糖）、大分子（如聚偏氟乙烯）、生物（如樟樹葉）和金屬有機(jī)框架材料（如沸石咪唑酯骨架-67）等，并且只需消耗一定量的水和鹽，大大降低了成本，具有潛在的工業(yè)應(yīng)用前景。另外，該方法制備的碳材料可生產(chǎn)具有高質(zhì)量負(fù)載的碳陽極，其電化學(xué)性能優(yōu)于市售石墨陽極，為電池制造提供了新的材料選擇。

Source:ZHENG N,ZHANG X,ZHANG C,et al.Dynamic salt capsulated synthesis of carbon materials in air[J].Matter,2022,D0l:101016/j.matt.2022.03.002.