有序材料化學(xué)

作者：邵佳介孔碳材料介孔碳材料的介紹介孔碳材料的應(yīng)用介孔碳材料的制備Contents介孔碳材料未來(lái)發(fā)展方向碳材料的背景知識(shí)碳和炭的區(qū)別：“碳”是1932年11月26日正式誕生并投入使用的新造詞，其只指明一種化學(xué)元素，即碳元素。與碳元素有關(guān)的詞語(yǔ)如碳化物、碳素剛、碳材料等。“炭”是指固體材料，是以碳元素構(gòu)成的無(wú)恒定組成及性質(zhì)的含碳物質(zhì)，如煤炭、炭黑，焦炭等。

炭材料通常是特指的，指炭和石墨的材料。碳材料的背景知識(shí)碳材料的定義：

碳材料是指以碳元素含量為主體的材料，是廣義的含碳的材料。通常是選用石墨、無(wú)定形炭或含碳化合物作為主要原料，經(jīng)特定的生產(chǎn)工藝過(guò)程而得到的無(wú)機(jī)非金屬材料。碳材料的背景知識(shí)碳材料的化學(xué)組成：碳材料的主要成分是碳元素，后來(lái)隨著碳材料的不斷發(fā)展，其組成也發(fā)生了變化：功能化的碳材料：根據(jù)應(yīng)用要求的不同，對(duì)碳材料表面進(jìn)行功能化，引入了不同的官能團(tuán)。例如，-COOH、-OH、-NH2等。摻雜的碳材料：通過(guò)摻雜，可改變碳材料表面性能。例如氮原子的摻雜，使其呈現(xiàn)了良好的親水性。碳材料的背景知識(shí)碳材料的分類(lèi)：傳統(tǒng)碳材料金剛石、石墨層間化合物、炭纖維等新型碳材料富勒烯、碳納米管、石墨烯、介孔碳材料等納米碳材料木炭、竹炭、活性炭、焦炭等傳統(tǒng)碳材料根據(jù)國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)(IUPAC)定義：多孔碳材料的分類(lèi)孔徑小于2nm孔徑在2-50nm之間孔徑大于50nm微孔碳材料介孔碳材料大孔碳材料介孔碳材料的介紹介孔碳材料的介紹有序介孔碳的特點(diǎn)孔徑均一可調(diào)顆粒外形豐富水熱穩(wěn)定性較好比表面積高孔容較大化學(xué)惰性耐腐蝕性好導(dǎo)電性良好有序介孔材料的發(fā)展歷程19921998199920022006美國(guó)Mobil公司Kresge,M41S系列,Nature.1992,359:710-712趙東元等,SBA-15系列,Science.1998,279:548-552加拿大約克大學(xué)J.H.Clark等首次用非模板法合成介孔碳材料Angew.Chem.In.Ed,2006,45:3782介孔碳材料的介紹韓國(guó)Ry-oo小組MCM-48為模板合成CMK-1J.Phys.Chem.B.1999,103:7743-7746以SBA-15為模板合成了CMK-3JACS.2002，124：1156-1157傳統(tǒng)的制備方法介孔碳材料的制備

介孔材料的合成主要是圍繞著如何去“造孔”,模板法是人們最常用也是最為有效的方法和技巧。按模板劑分類(lèi),可分為“硬”模板法(hard

templating)和“軟”模板法(soft

tem-plating)。模板法介孔碳材料的制備模板法軟模板法硬模板法介孔碳材料的制備介孔碳材料的制備硬模板法即納米澆鑄法(l)合成有序介孔材料作為模板;(2)將客體材料的前驅(qū)物填充到孔道中；(3)加熱或其他處理使前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物;(4)除去模板劑。軟模板法：EISA法溶劑揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝法：溶液在固體或者液體表面揮發(fā)，可以誘導(dǎo)分子、納米粒子等自組裝形成一維納米材料或有序結(jié)構(gòu)的方法。

自組裝是指基本結(jié)構(gòu)單元在基于非共價(jià)鍵的相互作用下自發(fā)地組織形成穩(wěn)定有序的高級(jí)結(jié)構(gòu)。氫鍵、范德華力、親水/疏水相互作用等弱的非共價(jià)鍵相互作用力是自組裝的動(dòng)力。介孔碳材料的制備介孔碳材料的制備介孔碳材料的制備

介孔碳材料的應(yīng)用大分子的吸附材料燃料電池水凈化介孔碳的應(yīng)用催化劑/催化劑載體雙層電容器電極生物傳感器1.生物醫(yī)學(xué)用于生物醫(yī)學(xué)的介孔碳的合成示意圖

介孔碳材料的應(yīng)用

介孔碳材料的應(yīng)用2.雙層電容器電極電化學(xué)雙層電容器的充電示意圖

介孔碳材料的應(yīng)用2.雙層電容器電極不同結(jié)構(gòu)介孔碳與商業(yè)用活性碳電極相比具有較高的性能大部分具有大的比表面積，高的電子導(dǎo)電性

介孔碳材料的應(yīng)用3.催化劑/催化劑載體分子水平的Pd原子簇分散于介孔碳壁上所形成的催化劑對(duì)醇氧化成醛具有較高的選擇性本身做催化劑J.H.Clark等人發(fā)現(xiàn)經(jīng)磺酸磺化后的介孔碳材料在不同的酸催化反應(yīng)中具有較高的活性和循環(huán)使用性介孔碳材料的應(yīng)用4.大分子的吸附過(guò)硫酸銨羥基化的有序六邊形介孔碳具有良好的蛋白質(zhì)吸附性能

介孔碳材料的應(yīng)用4.大分子的吸附大孔納米籠型介孔碳對(duì)溶解酵素具有較高的吸附容量

介孔碳材料的應(yīng)用5.燃料電池以SBA-15為模板制備出高分散、高穩(wěn)定性的Pt納米粒子可應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池

介孔碳材料的應(yīng)用6.介孔沸石的合成以介孔碳CMK-3為模板合成具有超微孔和分層結(jié)構(gòu)的沸石ZSM-5

介孔碳材料的應(yīng)用

除此之外，多孔碳材料還可應(yīng)用于廢水處理方面，對(duì)廢水中的重金屬離子進(jìn)行吸附分離，已達(dá)到凈化水和回收重金屬離子的目的。介孔碳作為吸附材料的優(yōu)勢(shì)在于：

介孔碳材料的應(yīng)用一，具有較高的比表面積，可以具有很大的吸附量三，良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性二，具有高度有序的孔道結(jié)構(gòu)和均一的