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近日，《美國化學會志》和《德國應用化學》相繼以“Ion-catalyzed Synthesis of Microporous Hard Carbon Embedded with Expanded Nanographite for

Enhanced Lithium/Sodium Storage”和“Polymerization under Hypersaline Conditions: A Robust

Route to Phenolic Polymer-Derived Carbon Aerogels”為題，發(fā)表了中國科學技術大學俞書宏教授課題組分別與美國德州大學奧斯汀分校John B. Goodenough教授、德國膠體與界面研究所Markus Antonietti教授研究組合作研究取得的成果。該課題組提出了三維模板法制備酚醛樹脂（PF）基碳氣凝膠的理念，成功發(fā)展了兩種三維模板制備碳氣凝膠的新方法，即聚合物分子鏈軟模板和鹽硬模板法。該課題組建立了全新的制備樹脂基碳氣凝膠的通用方法，在樹脂基碳氣凝膠制備方法學領域取得了重要進展。論文的第一作者為中國科大合肥微尺度物質科學國家實驗室碩博連讀生于志龍同學。

樹脂基多孔碳氣凝膠因具有極低的成本、高孔隙率、高比表面積和優(yōu)異的化學、機械、熱穩(wěn)定性等特點，在電池、催化和環(huán)境等領域引起了廣泛的興趣。然而，傳統(tǒng)的樹脂基氣凝膠的制備方法制備工藝復雜、生產(chǎn)周期長、微觀結構不可控和應用面窄。為了進一步拓展這種低成本的樹脂基碳氣凝膠的應用，迫切需要開發(fā)全新的制備方法，以期實現(xiàn)樹脂基碳氣凝膠的更廣泛的應用。

中國科大俞書宏教授課題組提出了聚合物分子鏈作為三維軟模板和鹽作為三維硬模板來制備酚醛基碳氣凝膠的新方法。在以往發(fā)展的可宏量制備酚醛樹脂凝膠工作的基礎上，進一步探究了碳氣凝膠的制備方法、硬碳微觀結構的形成機制以及在能源存儲領域的應用前景。在聚合物殼聚糖的溶液中，酚醛聚合物的單體苯酚和甲醛由于靜電相互作用力被吸附在分子鏈周圍，隨著單體的聚合，生成的聚合物則會沉積在殼聚糖分子鏈上，最終復制了殼聚糖的網(wǎng)絡狀結構而形成纖維網(wǎng)狀的氣凝膠。研究人員通過引入多種金屬離子，利用單體與金屬離子（Fe³⁺）的絡合特性，制備了分散非常均勻的PFR/Fe復合凝膠，并且研究了其催化石墨化過程和硬碳的形成機理（圖1）。研究人員將金屬離子（Fe³⁺）與酚醛樹脂單體苯酚絡合，然后引發(fā)酚醛聚合，絡合作用將Fe³⁺非常均勻地嵌入到酚醛聚合物的鏈段結構中，然后高溫碳化。所得的硬碳包含膨脹的納米石墨（間距0.36-0.4 nm）和微米孔道（~0.8nm）兩種結構。高溫碳化過程中，F(xiàn)e不斷遷移并與sp3碳反應從而打斷sp3碳橋，石墨片可以自由重排。Fe³⁺則對整個硬碳微結構進行一次梳理，提升了硬碳的整體有序度，從而提高了導電性和電化學穩(wěn)定性。研究人員提出，在催化石墨化過程中可能生成四面體Fe₃C微團簇，由于石墨烯片之間可能通過由一個sp3碳或多個sp3碳組成的碳橋連接，分別形成緊密堆積的和疏松堆積的石墨烯片層。在兩種石墨烯片層中，片層之間分別可以生成一個Fe₃C團簇或兩個Fe₃C團簇，前一種生成間距為0.4nm的納米石墨結構，后一種則會導致局部的石墨拱形結構。石墨片中的缺陷和局部拱形結構都會產(chǎn)生0.8nm的微孔（圖2）。該方法提供了一種制備高性能硬碳的新思路，對硬碳微觀結構的形成和修飾提出了新的見解。

所得的碳氣凝膠可以用作Li電池和Na電池的負極材料。在Li電池中，該材料不僅擁有高的比容量（首圈2391 mAh·g^-1）和高體積容量密度（1659 mA·hcm^-3），而且擁有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（200圈循環(huán)后，1180 mA·hg^-1 / 819 mA·h cm^-3），遠遠高于傳統(tǒng)的硬碳電極材料，其體積容量密度幾乎是商業(yè)介孔硬碳微球的兩倍；在大電流（1 Ag^-1）充放電情況下，該材料也表現(xiàn)出了高的比容量（822 mA·hg^-1/ 570 mA·hcm^-3）和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（1000圈后，401mA·hg^-1/ 278 mA·hcm^-3）。在Na電池中，該材料同樣擁有較高的比容量（745 mA·hg^-1 / 517 mA·hcm^-3）和不錯的循環(huán)性能（100圈后155 mA·hg^-1 / 108 mA·hcm^-3）。論文發(fā)表在J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 14915–14922上。

圖1. 殼聚糖分子鏈作為三維軟模板合成PF/Fe碳氣凝膠。(a)殼聚糖溶液；(b)酚醛樹脂絡合Fe³⁺溶膠；(c)催化改性后的碳氣凝膠及其微觀結構。

圖2.Fe³⁺催化改性的酚醛基碳氣凝膠的孔道結構形成機理示意圖。(a) 傳統(tǒng)硬碳中石墨片層微觀結構；(b) Fe³⁺與sp3碳反應生成眾多單個Fe₃C團簇；(c)Fe³⁺催化改性后石墨片層的重排結構；(d)兩個石墨片層之間形成Fe₃C團簇示意圖及片層間距尺寸計算。

研究人員還探索了超鹽環(huán)境下如何直接制備樹脂基碳氣凝膠的新途徑，并研究碳氣凝膠的性能以及在環(huán)境處理等領域的應用。以往大多數(shù)碳氣凝膠都是由多孔有機前驅體氣凝膠碳化而成，幾乎所有這些有機前驅體凝膠在干燥過程中都不能承受與液體表面張力有關的毛細作用力。因此，為了避免納米孔道的塌陷，就必須需要采用特殊的干燥方法，如超臨界CO₂干燥和冷凍干燥。耗時的干燥工藝和嚴格的干燥條件（特別是CO₂干燥）是這些制備方法的致命缺點，因而限制了其廣泛應用。因此，要實現(xiàn)碳氣凝膠的實際應用，關鍵在于開發(fā)廉價、簡便的宏量制備方法。

圖3. 鹽模板一步制備酚醛基碳氣凝膠的示意圖（左）；所得碳氣凝膠的微觀結構表征（右）。(a)碳氣凝膠照片；(b-d) SEM和TEM照片；(e-f) N₂吸附脫附曲線和孔徑分布曲線。

為實現(xiàn)這一目標，研究人員開發(fā)了鹽作為三維硬模板直接制備酚醛碳氣凝膠的方法，發(fā)現(xiàn)超鹽環(huán)境（高濃度ZnCl₂）下聚合的樹脂由紅色密實固體變成了多孔的黑色塊狀物體，說明超鹽環(huán)境改變了樹脂的介觀結構；由于ZnCl₂的強吸水特性，樹脂的脫水程度大幅度提升，一定程度上促進了樹脂的碳化，因此呈現(xiàn)黑色。所得的黑色塊可以直接干燥或者常壓自然干燥，并不會導致結構的塌縮。由于ZnCl₂同時具有發(fā)泡作用，黑色硬塊進行高溫碳化后，可以直接發(fā)泡得到多孔碳氣凝膠（圖3）。碳化過程中，ZnCl₂起到脫水劑、催化劑、發(fā)泡劑和造孔劑的作用。高溫下，ZnCl₂的脫水作用促進聚合物脫水碳化，產(chǎn)生大量水蒸氣和Zn蒸汽使樹脂發(fā)泡膨脹，降低密度產(chǎn)生孔洞，Zn揮發(fā)后也殘留下納米孔洞，所得的碳氣凝膠具有非常高的比表面積（~1340m2/g），結構非常穩(wěn)定，能耐受極性和非極性溶劑的表面張力。ZnCl₂鹽起到至關重要的作用，氣凝膠的微觀形貌、孔洞均取決于ZnCl₂鹽模板的含量。該方法提供了一種簡單直接的制備碳氣凝膠的新思路，從單體直接在超鹽環(huán)境下聚合、碳化制備碳氣凝膠從而繞過了有機氣凝膠的制備步驟，整個過程只需自然干燥即可。所得的多孔碳氣凝膠由于其優(yōu)異的機械穩(wěn)定性和耐溶劑型，在環(huán)境處理等領域有著潛在的應用。該氣凝膠最多能吸附自身重量60倍的有機溶劑，并且可以通過蒸餾等方法回收溶劑，其強健穩(wěn)定的結構保證了氣凝膠抵御溶劑表面張力的能力，經(jīng)過多次吸收-蒸餾循環(huán)后體積維持不變，吸收能力沒有明顯的下降。該工作被選為熱點論文和后封面論文發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 14623–14627上。

以上兩種三維模板法為制備新型樹脂基碳氣凝膠提出了新的設計理念，為今后宏量制備宏觀尺度碳氣凝膠等材料提供了新的思路。

上述工作得到了國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體、國家自然科學基金重點基金、國家重大科學研究計劃、中國科學院前沿科學重點研究項目、蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心、中國科學院納米科學卓越中心、合肥大科學中心卓越用戶基金的資助。

（合肥微尺度物質科學國家實驗室、化學與材料科學學院、科研部）

相關論文鏈接：

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b06673

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201605510/full