实验“定量”证明纳米片层多孔炭具有优于球形炭的扩散动力学

casino online src=”https://www.materialsviewschina.com/wp-content/uploads/2015/07/32-300×242.png” alt=”32″ width=”300″ height=”242″ />        多孔炭材料具有独特的物理和化学性质,在吸附、储能及环境等领域具有广阔的应用前景。在吸附应用中,微孔内的活性位被认为是主要的吸附位点,然而,研究结果发现仅提高微孔比例不能有效改善多孔材料的应用性能。这主要是由于传统的多孔炭的结构单元和骨架厚度多为微米级甚至毫米级,由于扩散路程长而不利于传质,导致微孔利用率低,因此,如何改善材料传质扩散动力学,提高微孔利用率,揭示纳米尺度下材料的性能与其结构的内在关系成为纳米多孔材料领域的研究热点和难点。针对以上问题,大连理工大学陆安慧教授团队通过准确设计模型材料结构,从实验上“定量”证明了纳米片层多孔炭材料比球形材料展示出更快的扩散传质动力学,显著提高微孔利用率。相关研究成果最近发表在small期刊上(DOI: 10.1002/smll.201501692)。

        制备结构规整的模型材料对于准确研究纳米材料的物理化学性能至关重要。该研究团队利用溶液化学自组装策略设计合成了两类结构可控且形貌规整的模型炭材料,即片层和球形材料。前者表现为小尺度纳米炭层包覆石墨烯“三明治”构型的薄片状结构,后者表现为微米级的球形结构。当采用常规的物理吸附、XRD、IR、拉曼等手段表征这两种样品时,发现其孔道和晶态结构以及表面化学性质极为相似。因此,以这两种样品为研究对象,可避免由于材料自身性质差异而带来的无法“定量”揭示多孔炭材料形貌与扩散动力学之间关系的问题。通过研究该样品在气相和液相中的吸附扩散行为,即CO2吸附、液相Cr(VI)吸附和双电层电容行为,并结合理论计算证明这两种具有相似组成、表面化学及比表面积的材料表现出截然不同的扩散速率和微孔利用率,由小尺度微孔炭片组成的多孔炭由于其表面积充分暴露和较短的扩散路径,表现出更快的扩散动力学。例如:在CO2吸附中,纳米片层多孔炭的一级动力学常数是球形炭的7.4倍。该研究对多孔纳米材料的可控制备、功能调控和应用探索具有重要参考意义。