中國粉體網訊 多孔碳是一類具有孔結構的碳材料。與石墨、碳納米管、富勒烯相同，多孔碳材料具備較好的穩定性、較高的導電性和較好的機械性能等優點。與石墨、碳納米管、富勒烯不同的是，多孔碳材料的孔尺寸大小具有可調性。這類碳材料已經被應用于很多領域，例如，氣體吸附、分離、存儲、超級電容器等領域。
制備多孔碳的來源（碳前驅體）豐富，常見的有生物質、聚合物、含碳有機鹽等。采用不同的合成方法可以制備出具有不同形貌、不同孔尺寸的多孔碳，這對多孔碳的性能會有很大的影響。
多孔碳材料的種類
根據國際純粹與應用聯合會（IUPAC）對孔尺寸的規定，可以將多孔碳劃分為微孔碳、介孔碳、大孔碳。微孔碳是指其孔尺寸小于2 nm；介孔碳是指其孔尺寸大于2 nm同時小于50 nm；大孔碳是孔尺寸大于50 nm的材料。根據碳的來源，可以分為活性炭、金屬有機骨架衍生碳、碳化有機鹽衍生碳、生物質碳和多孔有機骨架衍生碳。
多孔碳材料的制備方法
采用不同的碳化方法制備出的多孔碳具有不同的形貌和結構，這些都會直接影響其應用。根據在碳化過程中是否添加活化劑，可將制備方法分為兩種：
（1）直接在氮氣或氬氣氛圍下碳化，不添加活化劑，為非活化法碳化法。這種制備多孔碳的方法相對簡單、高效、環保，較為適合規�；苽涠嗫滋�。但是缺點突出，產率低，且需要較高的溫度，這勢必會增加能源消耗，提高生產成本。
此法常見的碳化過程主要有以下幾步，制備出多孔碳的前驅體（多孔有機骨架），設定碳化溫度在相應的氛圍下碳化。研究者嘗試通入少量空氣，這可以降低碳化溫度。很多性能優異的多孔碳已經通過這種方法被制備出。
（2）添加活化劑碳化制備多孔碳。與第一種方法相比，活化碳化法碳化多孔有機骨架制備的多孔碳的BET比表面積相對較高，孔徑分布相對更均一。
活化碳化法根據活化劑的種類的不同，可以分為物理活化法和化學活化法，需要時也可將物理與化學活化法相結合。常見的方法是將前驅體與活化劑混勻，然后碳化。這種制備方法相對產率高，所需要的碳化溫度低，而且制備得到的碳材料比表面積高。但是需要用酸洗滌，除去殘留在孔道中的雜質，防止顆粒較大的金屬氧化物堵塞孔道，影響其實際的應用。
此方法的缺點是對設備腐蝕性很強，這無疑會增加應用成本。報道最多的活化劑是氫氧化鉀，氯化鋅、硝酸鎂、氫氧化鈉、檸檬酸鉀等也有科研人員嘗試使用。氫氧化鉀制備多孔碳具有很多優點，具有相對較高的比表面積，產率較高，還可適度地制造出一些孔。
多孔碳的應用
（1）多孔碳在氣體吸附、分離和存儲領域的應用
化石燃料的燃燒引起了嚴重的環境污染以及能源短缺，給人類的生活造成了很大的影響，因此，解決環境污染和能源短缺迫在眉睫。溫室氣體的捕獲與封存，以及開發利用H2、CH4等新型清潔能源是有效的方法，這就需要尋找高效的吸附劑。通過碳化多孔有機骨架制備出的多孔碳，具有孔徑可調的特點，并且增強了材料表面的電場，在一定程度上增強主客體間的相互作用，從而提高主體材料的氣體吸附性能。POFs衍生的多孔碳具有較高的比表面積等優點，使其可以應用于氣體吸附、分離及存儲。
（2）多孔碳材料在能量儲存與轉化領域的應用
超級電容器，是一種高效且無污染的儲能設備，已經被用于通訊、交通以及航天航空領域，因為它具有功率密度高、充電速度快、能量轉換效率高、使用壽命長、安全無污染的優點。電極材料作為超級電容器的關鍵組成，其性能的好壞，將會直接影響超級電容器的儲能性能。近幾十年，科研人員一直致力于研究將多孔碳材料作為超級電容器的電極材料，同時科研人員發現，材料的比表面積和孔分布是影響超級電容器性能的關鍵。因此，設計并制備出具有高比表面積的多孔碳將會在該領域有廣闊的應用前景。
參考來源：閆婷婷：多孔有機骨架及其衍生的多孔碳的制備和性能的研究，吉林大學博士論文
（中國粉體網編輯整理/平安）
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