多孔炭材料研究取得系列新进展

　　多孔炭材料具有比表面积高、密度低、导电率高、孔结构可调和表面化学性质可控等优点，在能源储存、环境治理、航空航天、石油化工和医疗卫生等领域具有广泛的应用，一直是化学和材料学科的一个热门研究领域。模板法是目前制备多孔炭材料的最常见方法之一。然而，该法所采用的碳源和模板剂经常来自两种不同原料，容易导致碳源在硬模板的孔道外聚集或孔道内不完全填充（对于硬模板法）或者与软模板剂的相互作用太弱而无法发生自组装（对于软模板法），从而形成不均匀的碳源-模板界面，导致无孔炭杂质的生成以及孔道缺陷的引入等问题，非常不利于精确孔结构的设计与构筑。

　　最近，吴丁财教授和合作者发展了一种具有分子尺度界面工程的全新模板合成策略（图1）。该策略的关键是采用一类新型的有机-无机杂化分子（例如，商业化的八苯基笼型倍半硅氧烷，Ph-POSS）作为构筑单元。Ph-POSS可通过Friedel-Crafts交联反应诱导相分离形成聚合物-无机杂化纳米球（xPh-POSS）。所得xPh-POSS具有分子尺度均一的xPh碳源-  POSS模板界面，经炭化和去除模板后，即可制备得到一类具有精确孔结构的微孔炭纳米球。此类微孔炭纳米球不仅孔隙率高度发达（例如，BET比表面积高达2264 m2/g），而且其单分散POSS 模板孔低至1.3 nm，为目前硅模板炭材料的最小孔径（通常为2 nm 以上的中孔/大孔）。由于上述独特的结构特征，这类微孔炭纳米球具有优异的选择性吸附特性和超电容性能。这一研究成果刚发表在《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）。

　　与此同时，我们采用原子转移自由基聚合(ATRP)设计合成了一类全新的全有机毛发状纳米粒子（all-organic hairy   nanoparticle，例如，聚丙烯腈接枝交联聚甲基丙烯酸甲酯纳米球xPMMA-g-PAN）作为构筑单元，由此发展了一种制备精确孔结构富氮炭材料的先进模板法（图2）。该方法不仅具有高度均一的PAN碳源-xPMMA模板界面，在预氧化-炭化过程中xPMMA纳米球分散相可直接热分解原位形成单分散且尺寸精确的球形中孔，而且可避免炭化后复杂且苛刻的模板化学刻蚀过程，工艺绿色环保且有利于保护含氮官能团。所得纳米孔富氮炭材料可作为优良的CO2吸附剂和超级电容器电极材料。这一研究成果刚发表在《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）。