焦點快報!高結(jié)晶度、高穩(wěn)定性、高導電性 三維有序大孔框架材料成功制備
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2月28日，科技日報記者從天津大學獲悉，該校“英才計劃”特聘研究員吉科猛團隊以金屬鹽和有機膠晶為原料模板，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、高導電性三維有序大孔框架材料（以下簡稱OMGCs）。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際綜合性期刊《細胞報告物質(zhì)科學》上。
制備流程既簡單又高效
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—有機框架材料和共價有機框架材料，具有發(fā)達的孔道結(jié)構(gòu)、較大的比表面積、較小的材料密度等優(yōu)異的物理化學特性，在吸附、分離、傳感器、離子交換、負載催化、藥物輸送、電磁防護、環(huán)境治理、電化學能量存儲和轉(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)定性和導電性差等缺陷卻在很大程度上限制了當前這些功能材料在更大范圍的應(yīng)用。
為了解決這一難題，吉科猛團隊研發(fā)了OMGCs。OMGCs的整個制備工藝流程十分簡單高效。只需將浸漬有金屬鹽凝膠的膠晶模板置于氬氣或氮氣等保護氣中進行一步焙燒，即可制得塊體或粉體形狀的OMGCs產(chǎn)物。焙燒時間可以短至幾分鐘，焙燒溫度更是可以低至300—400攝氏度，遠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’機制進行解釋。”吉科猛說，當所使用的金屬鹽具有足夠大的晶格間距時，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，借助其碳原子而整齊地吸附在金屬鹽的這些晶面上，在其達到熱解溫度后便可以釋放這些碳原子從而形成目標石墨烯型碳。
也正是由于低溫段所形成的石墨烯型碳對結(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)用于多個領(lǐng)域
通過上述制備技術(shù)，只需對焙燒溫度、焙燒時間、膠晶模板的微球尺寸、金屬鹽的種類等進行簡單調(diào)整，便可實現(xiàn)對OMGCs的靈活調(diào)控。所制得的OMGCs不僅具有精致可控的層級納米多孔結(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成了鋼筋混凝土構(gòu)造，其功能性因此也大大增強。”吉科猛進一步介紹，“比如，在電化學儲能應(yīng)用方面，將基于硝酸鎳金屬鹽制備的OMGCs用作鋰離子電池負極時，即使不使用額外的導電劑與集流體，其仍可展現(xiàn)出3倍于當下商用石墨負極（理論比容量：372毫安時/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、藍等不同的結(jié)構(gòu)色彩?；谶@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，同時在光學涂層、柔性顯示、機械傳感、防偽材料、集成光學元件、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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