多孔炭材料研究取得系列新進展

　　多孔炭材料具有比表面積高、密度低、導電率高、孔結構可調和表面化學性質可控等優點，在能源儲存、環境治理、航空航天、石油化工和醫療衛生等領域具有廣泛的應用，一直是化學和材料學科的一個熱門研究領域。模闆法是目前制備多孔炭材料的最常見方法之一。然而，該法所采用的碳源和模闆劑經常來自兩種不同原料，容易導緻碳源在硬模闆的孔道外聚集或孔道内不完全填充（對于硬模闆法）或者與軟模闆劑的相互作用太弱而無法發生自組裝（對于軟模闆法），從而形成不均勻的碳源-模闆界面，導緻無孔炭雜質的生成以及孔道缺陷的引入等問題，非常不利于精确孔結構的設計與構築。

　　最近，吳丁财教授和合作者發展了一種具有分子尺度界面工程的全新模闆合成策略（圖1）。該策略的關鍵是采用一類新型的有機-無機雜化分子（例如，商業化的八苯基籠型倍半矽氧烷，Ph-POSS）作為構築單元。Ph-POSS可通過Friedel-Crafts交聯反應誘導相分離形成聚合物-無機雜化納米球（xPh-POSS）。所得xPh-POSS具有分子尺度均一的xPh碳源-  POSS模闆界面，經炭化和去除模闆後，即可制備得到一類具有精确孔結構的微孔炭納米球。此類微孔炭納米球不僅孔隙率高度發達（例如，BET比表面積高達2264 m2/g），而且其單分散POSS 模闆孔低至1.3 nm，為目前矽模闆炭材料的最小孔徑（通常為2 nm 以上的中孔/大孔）。由于上述獨特的結構特征，這類微孔炭納米球具有優異的選擇性吸附特性和超電容性能。這一研究成果剛發表在《Journal of the American Chemical Society》上（Zhenghui Li, Dingcai Wu*,    Yeru Liang, Ruowen Fu, Krzysztof Matyjaszewski*. Synthesis of well-defined microporous carbons by        molecular-scale templating with polyhedral oligomeric silsesquioxane moieties. J Am Chem Soc, 2014, 136, 4805-4808）。

　　與此同時，我們采用原子轉移自由基聚合(ATRP)設計合成了一類全新的全有機毛發狀納米粒子（all-organic hairy   nanoparticle，例如，聚丙烯腈接枝交聯聚甲基丙烯酸甲酯納米球xPMMA-g-PAN）作為構築單元，由此發展了一種制備精确孔結構富氮炭材料的先進模闆法（圖2）。該方法不僅具有高度均一的PAN碳源-xPMMA模闆界面，在預氧化-炭化過程中xPMMA納米球分散相可直接熱分解原位形成單分散且尺寸精确的球形中孔，而且可避免炭化後複雜且苛刻的模闆化學刻蝕過程，工藝綠色環保且有利于保護含氮官能團。所得納米孔富氮炭材料可作為優良的CO2吸附劑和超級電容器電極材料。這一研究成果剛發表在《Angewandte Chemie International Edition》上（Dingcai Wu*, Zhenghui Li, Mingjiang Zhong, Tomasz Kowalewski*, Krzysztof Matyjaszewski*. Templated synthesis of nitrogen-enriched nano-porous carbon materials from porogenic organic precursors prepared by ATRP. Angew Chem Int Ed, 2014, 53, 3957-3960）。