中國(guó)粉體網(wǎng)訊 多孔碳材料具有大的比表面積、發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在多個(gè)研究領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。多孔碳材料可以利用簡(jiǎn)便的方法合成，通過在孔道內(nèi)引入活性位點(diǎn)可將其應(yīng)用在電化學(xué)、吸附、催化等領(lǐng)域。然而，在實(shí)際應(yīng)用過程中卻無(wú)法發(fā)揮出多孔碳材料的優(yōu)良特性。從多孔碳材料的常用合成方法出發(fā)，通過分析各種合成方法的優(yōu)缺點(diǎn)，歸納出不同方法的適用條件及在實(shí)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的各種問題。
多孔碳結(jié)構(gòu)圖 圖源：桂林理工大學(xué)
多孔碳材料的制備方法
（1）活化法
活化法是將碳前驅(qū)體與活化劑混合后在高溫惰性氣體的條件下在碳前驅(qū)體上發(fā)生造孔反應(yīng)的一種方法�；罨ǚ譃槲锢砘罨ê突瘜W(xué)活化法，物理活化法包括兩個(gè)步驟：（1）利用高溫（通常 800℃以上）將碳前驅(qū)體進(jìn)行碳化；（2）使用水蒸汽或者二氧化碳作為活化劑與碳前驅(qū)體反應(yīng)達(dá)到造孔的目的。然而物理活化法只發(fā)生在碳材料的表面，活化作用力較弱，因此大多采用化學(xué)活化的方法�；瘜W(xué)活化法利用化學(xué)試劑在高溫條件下與碳前驅(qū)體反應(yīng)以達(dá)到造孔的目的。常用的活化試劑有KOH、KHCO3、NaHCO3、H3PO4 和 ZnCl2 等。
氮、硫共摻雜多孔碳的合成方法示意圖
（2）模板法
模板法是將碳前驅(qū)體填充到模板內(nèi)，然后對(duì)碳前驅(qū)體/模板進(jìn)行高溫加熱，使碳前驅(qū)體逐漸碳化，最后將模板去除獲得多孔碳材料的一種方法。模板的主要作用是提供制備相應(yīng)多孔碳材料所需的模具，模板與碳前驅(qū)體之間不會(huì)發(fā)生相互作用，得到的多孔碳材料的孔結(jié)構(gòu)與模板相似。根據(jù)模板與客體的作用力的不同，模板法可以分為硬模板法和軟模板法。
（3）溶膠-凝膠法
溶膠-凝膠法是通過醇鹽或者金屬無(wú)機(jī)鹽與溶劑混合形成溶液，經(jīng)水解、縮聚形成溶膠-凝膠，隨后經(jīng)過陳化、干燥、低溫?zé)Y(jié)等工藝來(lái)制備多孔碳材料的一種方法。在采用溶膠-凝膠法合成多孔碳材料時(shí)，常常會(huì)在干燥階段造成孔道結(jié)構(gòu)的坍塌。為避免此現(xiàn)象，常采用模板法輔助溶膠凝膠的方法合成多孔碳材料。
綜上，在3種合成方法中，活化法操作方便，但合成的多孔碳材料孔道不均勻；模板法可利用模板的有序結(jié)構(gòu)對(duì)孔道進(jìn)行調(diào)節(jié)，這促使模板法發(fā)展迅速；溶膠-凝膠法操作簡(jiǎn)便、反應(yīng)條件溫和，但是反應(yīng)過程中易出現(xiàn)孔道坍塌的現(xiàn)象；溶膠-凝膠法輔助模板法恰好彌補(bǔ)了這一缺陷。所合成的多孔碳材料具有較大的比表面積和豐富的孔道結(jié)構(gòu)，通過在合成過程中引入活性位點(diǎn)，所得材料可以應(yīng)用于電化學(xué)、吸附、催化等不同領(lǐng)域。
多孔碳材料的應(yīng)用
（1）超級(jí)電容器
超級(jí)電容器是一類與蓄電池相似但又不同于蓄電池的存儲(chǔ)器件，按照電容儲(chǔ)存機(jī)制的不同，超級(jí)電容器可以分為雙電層電容器和贗電容器。超級(jí)電容器具有高的功率密度、高電容值以及較長(zhǎng)的循環(huán)壽命等優(yōu)勢(shì)，可以應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信、國(guó)防等領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用過程中常常存在比電容低、能量密度低等問題。針對(duì)此問題，目前一般采用增大比表面積的方法。較大的比表面積可以促進(jìn)離子的吸附進(jìn)而提高超級(jí)電容器的比電容。
超級(jí)電容器基本結(jié)構(gòu)示意圖
（2）多孔碳材料的吸附應(yīng)用
對(duì)二氧化碳的吸附和轉(zhuǎn)化：多孔碳材料因其獨(dú)特的理化性質(zhì)，可以有效對(duì)二氧化碳進(jìn)行吸附和轉(zhuǎn)化。研究發(fā)現(xiàn)多孔碳材料對(duì)二氧化碳的吸附能力與碳材料的比表面積和微孔體積有關(guān)。
對(duì)重金屬離子的吸附：重金屬離子具有顯著的毒性而且難以被降解，常采用吸附劑進(jìn)行吸附。活性炭表面官能團(tuán)數(shù)目較少， 用作吸附劑時(shí)需要對(duì)其表面進(jìn)行化學(xué)改性以增加官能團(tuán)的數(shù)目，進(jìn)而促進(jìn)對(duì)溶液中重金屬離子的吸附。
（3）多孔碳材料作多相催化劑載體
多孔碳材料具有良好的化學(xué)和物理穩(wěn)定性以及較高的機(jī)械強(qiáng)度，是良好的催化劑載體。雖然均相催化具有高的反應(yīng)性和選擇性，但是產(chǎn)物與反應(yīng)物難分離，限制了均相催化的應(yīng)用范圍。有研究發(fā)現(xiàn)，將金屬負(fù)載在多孔碳材料上用于多相催化時(shí)具有易分離、易回收、提高催化效率等優(yōu)點(diǎn)。
結(jié)語(yǔ)
多孔碳材料可以通過活化法、模板法以及溶膠-凝膠法合成。采用活化法可以獲得較大比表面積的多孔碳，但是易造成孔道的坍塌；模板法可以得到孔道有序的模板碳，更有利于實(shí)際應(yīng)用；溶膠-凝膠法操作簡(jiǎn)便但周期長(zhǎng)。目前，一般采用幾種合成方法共同使用以達(dá)到研究者想要的多孔碳材料。
優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性以及可調(diào)節(jié)的孔道促進(jìn)多孔碳材料廣泛應(yīng)用在超級(jí)電容器、吸附、催化領(lǐng)域。通過增大比表面積和改善離子進(jìn)出通道有效地提高了超級(jí)電容器的能量密度。在多孔碳材料的孔道內(nèi)引入較多的活性位點(diǎn)有效地改善了多孔碳材料的吸附性能和催化性能。
多孔碳材料具有很高的發(fā)展?jié)撃�，其合成方法仍在不斷�?yōu)化，特別是對(duì)于孔徑分布以及孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控方面仍會(huì)進(jìn)行深入探索，實(shí)現(xiàn)更高效、更綠色的合成新材料并拓展應(yīng)用領(lǐng)域是研究者共同的追求。
參考來(lái)源：
付慧，多維度孔結(jié)構(gòu)碳材料制備及其電化學(xué)性能
趙曉玲等，生物質(zhì)多孔碳的制備、摻雜及應(yīng)用
朱萬(wàn)兵等，鹽+堿協(xié)同對(duì)多孔碳電極材料電化學(xué)性能的影響
劉瑋等，多孔碳材料的制備及應(yīng)用進(jìn)展
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/留白）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)請(qǐng)告知?jiǎng)h除！
