【原】Nature最新科技快报：锌盐辅助合成三维氧氮共掺杂微孔泡沫碳材料

信息来源：Nature/ scientific reports

第一作者、通讯作者：Hosein Banna Motejadded Emrooz

通讯单位：伊朗科技大学 先进技术学院 纳米技术系

DOI:10.1038/s41598-021-01151-3

背景介绍

多孔碳材料具备高导电性和较大比表面积等特点，获得广泛的应用。多孔碳材料可以通过几种传统的方法合成，包括硬模板法、软模板法和碳化活化法。在软硬模板技术中，含碳的前驱体围绕一种结构导向剂聚合，这种导向剂可以是另一种多孔材料，如多孔二氧化硅(硬模板)或一组两亲性分子(软模板)。聚合后，通过化学处理或煅烧将软模板或硬模板从结构中除去。软模板或硬模板法的主要优点是可以调整孔隙大小和结构，也可以合成有序的多孔碳材料。另一方面，这些方法的缺点是耗时和昂贵的过程，通常是由于需要使用昂贵的模板，并在合成过程后删除模板。

通常采用天然或废弃有机材料作为碳源进行碳活化过程。在这种非常常见的技术中，碳前驱体在高温下被气体、液体或固体物质蚀刻，这个过程中产生多孔隙结构。炭活化技术的主要优点是使用的前体相对廉价，大多包含如氮、磷、硫和氧等元素。另一方面，在一定程度上，不可控的孔隙形成过程、低收率以及合成和后合成过程中需要有害的酸或碱性化合物是影响其工业应用的主要缺点。

选择一种具有天然层次结构的多孔碳材料合成技术显得十分必要。Fechler等提出的合成多孔碳的盐模板技术满足了这一条件。在这种合成方法中，无机非碳化盐与碳前驱体混合，在整个反应过程中碳前驱体与盐混溶，碳前驱体和盐也可以溶解在溶剂中，在冷凝过程中，可以通过冷冻或加热干燥，溶剂蒸发、盐簇和加热生成孔隙。缩聚产物的热解使得模板蒸发和孔诱导进入碳材料，这些产物与含碳前驱体反应，并通过蚀刻工艺在碳结构中产生孔隙。通过适当选择盐和热解时间、温度等工艺参数以及盐和前驱碳的种类、比例等，可以调节孔隙大小和分布。

文章亮点

1. 结合软模板法、盐模板法和化学活化法，提出了一种新型分层三维氮掺杂多孔碳材料。

2. 以六水硝酸锌为结构导向剂和化学活化剂， F127为软模板，三聚氰胺甲醛作为碳、氧、氮前体。

3. 添加F127合成的泡沫碳的比表面积高达334.12 m² g^-1，六水硝酸锌添加量对泡沫的比表面积也有明显的影响。

4. 在热分解过程中，氧化锌颗粒对碳的石墨化起到积极作用。

图文导读

图1合成泡沫在热处理过程中的结构发展(a)合成泡沫的X射线衍射图，(b)在2、4和6 g Zn(NO₃)₂.6H₂O条件下制备泡沫的热重分析，(c)碳泡沫的拉曼光谱

图2合成的(CF-2)和热解的(CF-2-1000)碳泡沫的FTIR光谱结果证实热解泡沫表面存在C=C、C-N、C-O和C=O官能团

图3 (a)合成泡沫碳的N2吸附脱附；(b) BJH；(c)泡沫碳的MP分析；(d,e) CF-2和CF-2-1000的场发射扫描电镜图 (e) CF-6-1000的透射电镜图

图4碳泡沫(CF-6-1000)的XPS光谱，(a)泡沫结构中C、N和O元素XPS谱图；(b)碳泡沫的C1s、N1s和O1s能谱。

小结

以三聚氰胺和甲醛为氮、氧和碳前体，Zn(NO₃)₂.6H₂O和F127为模板，制备了含氮微孔泡沫碳材料。由不同含量的Zn(NO₃)₂.6H₂O和F127合成的泡沫碳材料的表征结果证实这些模板对多孔结构形成的重要性。从添加F127合成的泡沫碳的比表面积(334.12 m² g^-1)和不添加F127的泡沫碳的比表面积(1.02 m² g^-1)的对比可以看出，F127的添加对多孔泡沫碳结构影响很大。不同的六水硝酸锌添加量对泡沫的比表面积也有明显的影响。在热分解过程中，氧化锌颗粒对碳的石墨化有积极作用。