Adv. Mater. 来自超高交联聚合物的多孔碳

【引言】

经过超高交联的苯、吡咯和噻吩碳化制成的多孔碳具有很高的表面积。这类碳材料拥有大量的微孔和介孔结构，BET（比表面积）高达4300 m²g⁻¹。制备良好的材料能同时具备CO₂和 H₂的高吸附能力。本文中作者将是通过将超高交联聚合物和氢氧化钾以1:4的比例混合后在700-1000℃的不同温度中加热，然后抽出剩余的盐分，干燥后得到碳化超高交联聚合物。合成后产物做了BET表面积测试。实验结果证明三种产物分别具有3105,2682和4334 m²g⁻¹的高BET比表面积。实验中同时也测试了这三类物质的氮吸附等温线和列出了这些碳化物和它们超高交联前驱体的物理性质。

【成果简介】

英国利物浦大学的Andrew I. Cooper等人使用一种简单的方法能够提高超交联聚合物的性质。理想条件下，减小材料的尺寸，其表面积能够有显著的增大同时能最小程度的减少明显的膨胀，这种现象能通过二氧化碳或其他例如有机液体的吸附很好的观察到。在这里作者描述了碳化过程是如何简单的且显著的的提高超高交联聚合物的表面积，同时又阻止了材料体积的膨胀。这种实验结果是从三个超高交联聚合物单体分别是低成本的苯，吡咯和噻吩中得出，并可以推广到其他超高交联聚合物。

【图文导读】

图1：超高交联化合物组成和碳化处理后的结果

图中显示了三种聚合物的单体和组成聚合物时的化学表达式，并给出了碳化后的微观形貌。

图2：碳化后物质表面积和气孔测试

a）不同温度下碳化后超高交联聚合物表面积

b）氮的吸附等温线和77.3k下碳化物的气孔

图3：碳化前后材料表征性能之间的对比

a）碳化的超高交联聚合物在1bar条件下CO₂的吸附与BET表面积的关系

b）295k下0-10bar范围内CO₂的吸附等温线

c）不同温与压力下CO₂的吸附等温线

d）碳化后不同压强下H₂的吸附情况

【实验结果】

作者展示了超高交联聚合物在氢氧化钾的激活碳化后形成的高孔率的碳化物，同时证明了此类产物对二氧化碳和氢的吸附情况。他们能够利用低成本的前驱体，同时允许杂环原子参与的实验方法制备出表面积高达4334m²/g^-1的多孔碳化材料。与此类似，其他的超高交联聚合物前驱体可能生产出更好的材料，不仅仅具有吸附功能，同时还拥有其他例如：能量储存、催化和气体分离等特性。举例来说在REAXYS数据库中大约有2500万的芳香族化合物，其中大多数易受傅克烷基化的影响。因此超高交联聚合物的构型在这条路线中尤为重要。那些尚未发现的超高交联聚合物前驱体碳化后会具有比报道更加优化的特性。

文献链接：Hyperporous Carbons from Hypercrosslinked Polymers（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/ adma.201603051）

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