焦點(diǎn)快報(bào)!高結(jié)晶度、高穩(wěn)定性、高導(dǎo)電性 三維有序大孔框架材料成功制備
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2月28日，科技日?qǐng)?bào)記者從天津大學(xué)獲悉，該校“英才計(jì)劃”特聘研究員吉科猛團(tuán)隊(duì)以金屬鹽和有機(jī)膠晶為原料模板，開發(fā)出了一種以石墨烯型碳、金屬納米晶等為基本功能單元構(gòu)筑而成的高結(jié)晶度、高穩(wěn)定性、高導(dǎo)電性三維有序大孔框架材料（以下簡(jiǎn)稱OMGCs）。相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際綜合性期刊《細(xì)胞報(bào)告物質(zhì)科學(xué)》上。
制備流程既簡(jiǎn)單又高效
有序納米多孔功能材料，例如微孔的沸石和介孔的二氧化硅分子篩、金屬—有機(jī)框架材料和共價(jià)有機(jī)框架材料，具有發(fā)達(dá)的孔道結(jié)構(gòu)、較大的比表面積、較小的材料密度等優(yōu)異的物理化學(xué)特性，在吸附、分離、傳感器、離子交換、負(fù)載催化、藥物輸送、電磁防護(hù)、環(huán)境治理、電化學(xué)能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化等諸多領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。然而，孔徑分布窄（小于50納米）、結(jié)晶度低、熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性差等缺陷卻在很大程度上限制了當(dāng)前這些功能材料在更大范圍的應(yīng)用。
為了解決這一難題，吉科猛團(tuán)隊(duì)研發(fā)了OMGCs。OMGCs的整個(gè)制備工藝流程十分簡(jiǎn)單高效。只需將浸漬有金屬鹽凝膠的膠晶模板置于氬氣或氮?dú)獾缺Ｗo(hù)氣中進(jìn)行一步焙燒，即可制得塊體或粉體形狀的OMGCs產(chǎn)物。焙燒時(shí)間可以短至幾分鐘，焙燒溫度更是可以低至300—400攝氏度，遠(yuǎn)低于以目前催化工藝制備石墨烯型碳所需的近千攝氏度高溫。
“OMGCs之所以能夠在如此低的溫度下形成，可以用一種特別的基于金屬鹽晶面的‘原子澆鑄’機(jī)制進(jìn)行解釋。”吉科猛說，當(dāng)所使用的金屬鹽具有足夠大的晶格間距時(shí)，構(gòu)成膠晶模板的高分子聚合物就能夠在其發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變時(shí)，借助其碳原子而整齊地吸附在金屬鹽的這些晶面上，在其達(dá)到熱解溫度后便可以釋放這些碳原子從而形成目標(biāo)石墨烯型碳。
也正是由于低溫段所形成的石墨烯型碳對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固作用，OMGCs才得以形成最終的高度規(guī)整、有序的蜂巢形貌。
可應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域
通過上述制備技術(shù)，只需對(duì)焙燒溫度、焙燒時(shí)間、膠晶模板的微球尺寸、金屬鹽的種類等進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)整，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)OMGCs的靈活調(diào)控。所制得的OMGCs不僅具有精致可控的層級(jí)納米多孔結(jié)構(gòu)，還具有豐富可調(diào)的納米晶物質(zhì)組成。
“之前也有不少關(guān)于三維有序多孔炭材料的研究報(bào)道，但是可以發(fā)現(xiàn)它們基本為非晶態(tài)或者石墨化程度非常低，而OMGCs的創(chuàng)制就像是把土坯房升級(jí)成了鋼筋混凝土構(gòu)造，其功能性因此也大大增強(qiáng)。”吉科猛進(jìn)一步介紹，“比如，在電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用方面，將基于硝酸鎳金屬鹽制備的OMGCs用作鋰離子電池負(fù)極時(shí)，即使不使用額外的導(dǎo)電劑與集流體，其仍可展現(xiàn)出3倍于當(dāng)下商用石墨負(fù)極（理論比容量：372毫安時(shí)/克）的超高比容量以及幾十倍快的充電速率，具有非常好的應(yīng)用前景。”
不同制備條件下獲得的OMGCs還呈現(xiàn)出了黃、綠、藍(lán)等不同的結(jié)構(gòu)色彩。基于這一特別的光子晶體特征，該種材料還可以用作光子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)材料，同時(shí)在光學(xué)涂層、柔性顯示、機(jī)械傳感、防偽材料、集成光學(xué)元件、光子晶體光纖等相關(guān)領(lǐng)域也具有一定的應(yīng)用前景。
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