我科研團隊開發(fā)單開口中空碳球合成新策略并進一步揭示空間限域效應(yīng)

5月6日，記者從中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所獲悉，為了提高空腔的利用效率以及拓展中空碳材料的應(yīng)用范圍，中科院青島能源所王光輝研究員聯(lián)合浙江工業(yè)大學(xué)朱藝涵教授開發(fā)了一種聚乙二醇(PEG)分子輔助的策略合成單開口中空碳球(HCH)，并進一步研究了其在有機染料分子吸附過程中的性能及空間限域效應(yīng)，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《材料化學(xué)》(Chemistry of Materials)雜志上。該論文第一作者是青島能源所的博士研究生于群，通訊作者是浙江工業(yè)大學(xué)的朱藝涵教授和青島能源所的王光輝研究員。

中空碳材料因其獨特的空腔結(jié)構(gòu)，高的比表面積及孔隙率等優(yōu)點，在催化、吸附、儲能和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。但是，中空碳材料的殼壁往往會阻礙大分子擴散，使空腔失去作用，極大限制了中空碳材料的性能及應(yīng)用范圍。

據(jù)介紹，前期，王光輝研究員帶領(lǐng)的多孔催化材料研究組成功制備了兩種中空碳球納米反應(yīng)器：PdCu雙金屬納米粒子封裝于空心碳球內(nèi)部的納米反應(yīng)器(PdCu@HCS)和負(fù)載于空心碳球外表面的納米反應(yīng)器(PdCu/HCS)。通過在一系列液相加氫反應(yīng)中的對比，發(fā)現(xiàn)空間限域作用有利于提高小分子(例如：苯乙烯)的加氫反應(yīng)速率，而對于2-乙烯萘，由于殼壁的限制作用會使反應(yīng)速率降低，對于分子尺寸更大的9-乙烯蒽，殼壁微孔的存在會限制其進入空腔進行加氫反應(yīng)。由此可見，中空碳?xì)由系目椎莱叽鐚髻|(zhì)有顯著的影響，對于與孔尺寸相近或更大的底物分子，空腔并不能起到富集或者存儲等作用。

基于上述對中空材料的認(rèn)識，研究人員利用PEG分子在高溫水熱過程中與水分子的氫鍵作用力減弱，疏水性增強，在微乳界面起到反向破乳劑的作用，使得微乳模板的穩(wěn)定性降低，最終成功合成單開口結(jié)構(gòu)。通過改變PEG分子的大小，還可以合成完整中空結(jié)構(gòu)(HCS)以及半碗結(jié)構(gòu)(HCB)的碳材料。通過對比研究表明，在吸附大分子染料(例如：剛果紅)的過程中，HCH較HCS和HCB具有更快的吸附速率和更高的吸附容量(HCH的吸附容量是HCS的4倍)。這一結(jié)果進一步證明了HCH的空間限域效應(yīng)，在吸附大分子過程中產(chǎn)生富集作用。

不同結(jié)構(gòu)中空碳球及吸附強化過程。于群供圖

關(guān)鍵詞： 浙江工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用范圍 反應(yīng)速率 吸附容量 對比研究