Adv. Mater. 來自超高交聯聚合物的多孔碳

【引言】

經過超高交聯的苯、吡咯和噻吩碳化制成的多孔碳具有很高的表面積。這類碳材料擁有大量的微孔和介孔結構，BET（比表面積）高達4300 m² g^?1。制備良好的材料能同時具備CO₂ 和 H₂的高吸附能力。本文中作者將是通過將超高交聯聚合物和氫氧化鉀以1:4的比例混合后在700-1000℃的不同溫度中加熱，然后抽出剩余的鹽分，干燥后得到碳化超高交聯聚合物。合成后產物做了BET表面積測試。實驗結果證明三種產物分別具有3105,2682和4334 m² g^?1的高BET比表面積。實驗中同時也測試了這三類物質的氮吸附等溫線和列出了這些碳化物和它們超高交聯前驅體的物理性質。

【成果簡介】

英國利物浦大學的Andrew I. Cooper等人使用一種簡單的方法能夠提高超交聯聚合物的性質。理想條件下，減小材料的尺寸，其表面積能夠有顯著的增大同時能最小程度的減少明顯的膨脹，這種現象能通過二氧化碳或其他例如有機液體的吸附很好的觀察到。在這里作者描述了碳化過程是如何簡單的且顯著的的提高超高交聯聚合物的表面積，同時又阻止了材料體積的膨脹。這種實驗結果是從三個超高交聯聚合物單體分別是低成本的苯，吡咯和噻吩中得出，并可以推廣到其他超高交聯聚合物。

【圖文導讀】

圖1：超高交聯化合物組成和碳化處理后的結果

圖中顯示了三種聚合物的單體和組成聚合物時的化學表達式，并給出了碳化后的微觀形貌。

圖2：碳化后物質表面積和氣孔測試

a）不同溫度下碳化后超高交聯聚合物表面積

b）氮的吸附等溫線和77.3k下碳化物的氣孔

圖3：碳化前后材料表征性能之間的對比

a）碳化的超高交聯聚合物在1bar條件下CO₂的吸附與BET表面積的關系

b）295k下0-10bar范圍內CO₂的吸附等溫線

c）不同溫與壓力下CO₂的吸附等溫線

d）碳化后不同壓強下H₂的吸附情況

【實驗結果】

作者展示了超高交聯聚合物在氫氧化鉀的激活碳化后形成的高孔率的碳化物，同時證明了此類產物對二氧化碳和氫的吸附情況。他們能夠利用低成本的前驅體，同時允許雜環原子參與的實驗方法制備出表面積高達4334m²/g^-1的多孔碳化材料。與此類似，其他的超高交聯聚合物前驅體可能生產出更好的材料，不僅僅具有吸附功能，同時還擁有其他例如：能量儲存、催化和氣體分離等特性。舉例來說在REAXYS數據庫中大約有2500萬的芳香族化合物，其中大多數易受傅克烷基化的影響。因此超高交聯聚合物的構型在這條路線中尤為重要。那些尚未發現的超高交聯聚合物前驅體碳化后會具有比報道更加優化的特性。

文獻鏈接：Hyperporous Carbons from Hypercrosslinked Polymers （Adv. Mater., 2016, DOI:?10.1002/ adma.201603051）

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