阿德莱德大学Advanced Functional Materials | 多孔碳:结构设计与应用研究

通讯作者:王少彬(阿德莱德大学),阿德孙红旗(艾迪斯科文大学)

DOI: 10.1002/adfm.201909265.

本文亮点

1.总结了纳米多孔碳材料在水处理、莱德二氧化碳吸附、大学s多锂离子电池、孔碳锂硫电池、结构锂金属阳极、设计钠离子电池、应用研究钾离子电池、阿德超级电容器和电催化领域里的莱德应用及构效关系。

2. 综述了多孔碳的大学s多最新合成策略。通过组织调控得到具有微孔、孔碳介孔、结构大孔、设计多级孔、应用研究有序孔或石墨化的阿德碳等结构的多孔碳材料,并介绍了多孔碳在不同领域中的应用。最后,对碳材料面临的挑战和未来的发展前景提出了一些见解。

前沿

2020年4月,Advanced Functional Materials 期刊在线发表了澳大利亚阿德莱德大学王少彬教授团队在多孔碳领域的最新综述文章。该工作总结了多化碳材料在环境与能源领域应用的构效关系,并综述了多孔碳合成与结构调控的最新进展及其在不同领域中的应用研究。

研究背景

多孔碳材料在各种能源和环境相关的应用中表现出了优异的性能。在过去的几十年里,人们在纳米多孔碳的孔径、表面化学和结构等方面进行了大量的协同设计和调控。对于如何合成各种具有优异结构和性质的多孔碳以用于特定领域,目前还缺乏一个全面的比较与总结。在此,本文综述了结构导向多孔碳的设计和及其在典型环境和能源领域里的应用。

图文解析

如图1-4所示,本文分别总结了比表面积、孔体积、孔径、石墨化程度、表面官能团对多孔碳在水处理、CO2吸附、锂离子电池 (LIBs)、锂硫电池 (LSBs)、锂-金属 (Li-metal) 阳极,钠离子电池 (NIBs), 钾离子电池 (KIBs),超级电容器和电催化氧还原反应 (ORR)中的性能具有不同的作用。优异的性能取决于对碳材料的组织(孔体积、孔径、石墨化程度) 和表面化学的合理控制,以满足不同领域的具体要求。

图1. 多孔碳在水处理吸附与催化高级氧化去除有机污染物中的构效关系

图2. 多孔碳在矿物燃料燃烧前与燃烧后过程中CO2吸附的构效关系

图3. 多孔碳作为电极材料在a) 锂离子电池 (LIBs),b) 锂硫电池(LSBs),c)锂-金属 (Li-metal) 阳极,d) 钠离子电池 (NIBs), e) 钾离子电池 (KIBs),f) 超级电容器中的构效关系

图4. 多孔碳在碱性介质电催化氧还原中的构效关系

在接下来的章节中,该文以下几个方面进一步总结了近年来多孔碳的结构设计,即微孔碳材料(石墨化的微孔碳、无序微孔碳)、介孔碳材料 (有序介孔碳、无序介孔碳)、大孔碳材料和多级孔结构的碳材料 (基于生物质制备的多级孔碳材料、基于MOF制备的多级孔碳材料、具有多级孔结构的碳球、有序多级孔碳材料、石墨化的多级孔碳材料)。

总结与展望

本文将有助于人们更有效地了解多孔碳组织性质调控的方法,以及多孔碳在多种用途上应用的可能性。但是在某些情况下,预期的性质可能并不总是对性能产生积极的影响。例如,一方面来说,杂原子改性碳材料可以有效地引入活性位点,但过度掺杂可能会破坏多孔结构,而某些原子 (如氧) 的过量可能会损害碳的电导率。对于纳米孔碳的未来发展,有必要对其结构-功能关系进行更深入系统的了解,合理控制合成与结构调控以适应不同应用的需要。例如,不同前驱体的选择如何影响多孔碳的结构、形貌和性质,不同的孔形貌如何影响吸附、催化或能源相关的性能,等等。同时,在制备碳材料过程中降低废物的产生、减少能源和材料的消耗、发展经济型低污染或无污染的方法、并从生物质或其它可再生的前驱体制备功能化纳米多孔碳,是至关重要的。总的来说,纳米多孔碳已经对世界产生了革命性的影响,进一步优化纳米多孔碳的结构、合成工艺以及在环境、能源和其他方面的应用都存在着巨大的研究潜力与价值。

作者介绍

孙红旗教授,澳洲埃迪斯科文大学工程学院全职教授,校长特聘教授级研究员。同时任RSC Advances副主编和Frontiers in Nanotechnology专业主编。2008年博士毕业于南京工业大学,师从金万勤教授和徐南平院士。历任科廷大学博士后研究员,青年研究员,高级研究员,及埃迪斯科文大学副教授。孙博士长期从事高级氧化、光催化、光-热催化、光-电催化及膜催化研究,迄今发表SCI论文200余篇,ESI高引论文30篇。基于谷歌学术,论文引用15500余次,h因子达76,并于2019年入选全球高被引科学家(科睿唯安)。

王少彬教授,担任澳大利亚阿德莱德大学化学工程与先进材料学院终身教授,主要从事新型纳米材料开发、环境催化、二氧化碳储存与转化以及太阳能利用等领域的研究。在Acc. Chem. Res., Adv. Mater., Angew. Chem., Int. Ed., Matter, Environ. Sci. Technol.、ACS Catal.、Water Res.等国际期刊发表学术论文超过500篇,含ESI高被引文章50余篇,Google Scholar总引用39,000余次,h-index为111。同时,担任Chemical Engineering Journal Advances副主编和Journal of Colloid and Interface Science联合编辑,也是科睿唯安(Clarivate Analytics)/汤姆森路透(Thomson Reuters)工程领域的2016-2019年的全球高被引科学家。(课题组长期招收高级氧化、光/光电催化、纳米/二维/多孔材料、纳米发动机、理论计算等方向的PhD,如有意向可发邮件至xiaoguang.duan@adelaide.edu.au)

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文献来源:Tian, W., Zhang, H., Duan, X., Sun, H., Shao, G., Wang, S., Porous Carbons: Structure‐Oriented Design and Versatile Applications. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1909265.

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