新型有序大孔石墨烯碳質框架材料研制成功

天津大學特聘研究員吉科猛團隊以金屬鹽和有機膠晶為原料模板， 開發出了一種以石墨烯型碳、 金屬納米晶等為基本功能單元構筑而成的高結晶度、 高導電性三維有序大孔框架材料（簡稱OMGCs）。

據介紹， 有序納米多孔功能材料由于具有發達的孔道結構、 較大的比表面積、 較小的材料密度等優異的物理化學特性，在吸附、 分離、 傳感器、 離子交換、 負載催化、 藥物輸送、 電磁防護、 環境治理、 電化學能量存儲和轉化等諸多領域都有著廣泛應用。 然而， 孔徑分布窄（＜50 nm）、 結晶度低、 熱穩定性和導電性差等缺陷卻在很大程度上限制了當前這些功能材料在更大范圍的應用。

對此， 吉科猛團隊經過刻苦攻關， 其所研發OMGCs 晶體碳質材料的整個制備工藝流程十分簡單高效。 只需將浸漬有金屬鹽凝膠的膠晶模板置于氬氣或氮氣等保護氣中進行一步焙燒， 即可制得塊體或粉體形狀的OMGCs 產物。 焙燒時間可以短至幾分鐘， 焙燒溫度更是可以低至300～400 ℃， 遠低于以目前催化工藝制備石墨烯碳所需的近千度高溫。

據介紹， OMGCs 材料之所以能夠在如此低的溫度下形成， 可以用一種特別的基于金屬鹽晶面的'原子澆鑄'機制進行解釋。 當所使用的金屬鹽具有足夠大的晶格間距時， 構成膠晶模板的高分子聚合物就能夠在其發生玻璃化轉變時， 借助其碳原子而部分地釘扎在金屬鹽的這些晶面上， 在其達到熱解溫度后便可以釋放這些碳原子而形成目標的石墨烯型碳。 也正是由于低溫段所形成石墨烯碳對結構的穩固作用， OMGCs 材料（以及之前研究所報導的金屬氧化物） 才得以形成最終的高度規整、有序的蜂巢形貌。

通過上述制備技術， 只需對焙燒溫度、 焙燒時間、 膠晶模板的微球尺寸、 金屬鹽的種類等進行簡單調整， 便可實現對OMGCs 材料的靈活調控。 所制得的晶體碳質材料不僅具有精致可控的層級納米多孔結構， 還具有豐富可調的納米晶物質組成。 而基于石墨烯型碳優異的導電性、 導熱性、 穩定性以及較低的密度和良好的柔韌度等本征特性， 這種將三維雙連續石墨烯碳與單分散金屬納米晶等功能基元進行的協同集成， 更可以極大地保證OMGCs 晶體碳質材料在不同高新科技領域中的獨特應用優勢。