首次實現(xiàn)在空氣中制備碳材料

●創(chuàng)新點

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下，將有機化合物加熱至600 ℃～1 000 ℃進(jìn)行碳材料的制備。上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院劉巍教授團隊提出了一種新型二元動態(tài)鹽包覆方法，成功實現(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，研究團隊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。鹽的動態(tài)變化需要經(jīng)歷4個重要階段：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，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 元素不同擴散速率形成的通道中排出；接著，在400 ℃～600 ℃時，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，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.