有序材料化学

作者：邵佳介孔碳材料介孔碳材料的介绍介孔碳材料的应用介孔碳材料的制备Contents介孔碳材料未来发展方向碳材料的背景知识碳和炭的区别：“碳”是1932年11月26日正式诞生并投入使用的新造词，其只指明一种化学元素，即碳元素。与碳元素有关的词语如碳化物、碳素刚、碳材料等。“炭”是指固体材料，是以碳元素构成的无恒定组成及性质的含碳物质，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。碳材料的背景知识碳材料的定义：

碳材料是指以碳元素含量为主体的材料，是广义的含碳的材料。通常是选用石墨、无定形炭或含碳化合物作为主要原料，经特定的生产工艺过程而得到的无机非金属材料。碳材料的背景知识碳材料的化学组成：碳材料的主要成分是碳元素，后来随着碳材料的不断发展，其组成也发生了变化：功能化的碳材料：根据应用要求的不同，对碳材料表面进行功能化，引入了不同的官能团。例如，-COOH、-OH、-NH2等。掺杂的碳材料：通过掺杂，可改变碳材料表面性能。例如氮原子的掺杂，使其呈现了良好的亲水性。碳材料的背景知识碳材料的分类：传统碳材料金刚石、石墨层间化合物、炭纤维等新型碳材料富勒烯、碳纳米管、石墨烯、介孔碳材料等纳米碳材料木炭、竹炭、活性炭、焦炭等传统碳材料根据国际纯粹与应用化学协会(IUPAC)定义：多孔碳材料的分类孔径小于2nm孔径在2-50nm之间孔径大于50nm微孔碳材料介孔碳材料大孔碳材料介孔碳材料的介绍介孔碳材料的介绍有序介孔碳的特点孔径均一可调颗粒外形丰富水热稳定性较好比表面积高孔容较大化学惰性耐腐蚀性好导电性良好有序介孔材料的发展历程19921998199920022006美国Mobil公司Kresge,M41S系列,Nature.1992,359:710-712赵东元等,SBA-15系列,Science.1998,279:548-552加拿大约克大学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介孔碳材料的介绍韩国Ry-oo小组MCM-48为模板合成CMK-1J.Phys.Chem.B.1999,103:7743-7746以SBA-15为模板合成了CMK-3JACS.2002，124：1156-1157传统的制备方法介孔碳材料的制备

介孔材料的合成主要是围绕着如何去“造孔”,模板法是人们最常用也是最为有效的方法和技巧。按模板剂分类,可分为“硬”模板法(hard

templating)和“软”模板法(soft

tem-plating)。模板法介孔碳材料的制备模板法软模板法硬模板法介孔碳材料的制备介孔碳材料的制备硬模板法即纳米浇铸法(l)合成有序介孔材料作为模板;(2)将客体材料的前驱物填充到孔道中；(3)加热或其他处理使前驱体转化为目标产物;(4)除去模板剂。软模板法：EISA法溶剂挥发诱导自组装法：溶液在固体或者液体表面挥发，可以诱导分子、纳米粒子等自组装形成一维纳米材料或有序结构的方法。

自组装是指基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发地组织形成稳定有序的高级结构。氢键、范德华力、亲水/疏水相互作用等弱的非共价键相互作用力是自组装的动力。介孔碳材料的制备介孔碳材料的制备介孔碳材料的制备

介孔碳材料的应用大分子的吸附材料燃料电池水净化介孔碳的应用催化剂/催化剂载体双层电容器电极生物传感器1.生物医学用于生物医学的介孔碳的合成示意图

介孔碳材料的应用

介孔碳材料的应用2.双层电容器电极电化学双层电容器的充电示意图

介孔碳材料的应用2.双层电容器电极不同结构介孔碳与商业用活性碳电极相比具有较高的性能大部分具有大的比表面积，高的电子导电性

介孔碳材料的应用3.催化剂/催化剂载体分子水平的Pd原子簇分散于介孔碳壁上所形成的催化剂对醇氧化成醛具有较高的选择性本身做催化剂J.H.Clark等人发现经磺酸磺化后的介孔碳材料在不同的酸催化反应中具有较高的活性和循环使用性介孔碳材料的应用4.大分子的吸附过硫酸铵羟基化的有序六边形介孔碳具有良好的蛋白质吸附性能

介孔碳材料的应用4.大分子的吸附大孔纳米笼型介孔碳对溶解酵素具有较高的吸附容量

介孔碳材料的应用5.燃料电池以SBA-15为模板制备出高分散、高稳定性的Pt纳米粒子可应用于质子交换膜燃料电池

介孔碳材料的应用6.介孔沸石的合成以介孔碳CMK-3为模板合成具有超微孔和分层结构的沸石ZSM-5

介孔碳材料的应用

除此之外，多孔碳材料还可应用于废水处理方面，对废水中的重金属离子进行吸附分离，已达到净化水和回收重金属离子的目的。介孔碳作为吸附材料的优势在于：

介孔碳材料的应用一，具有较高的比表面积，可以具有很大的吸附量三，良好的热稳定性和化学稳定性二，具有高度有序的孔道结构和均一的