脱卤反应:碳材料可控制备新思路

碳元素是与人类生产生活实践密切相关的元素之一,其多样电子轨道特性使之具有丰富的成键杂化形式,也正因如此,碳元素可构建零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯、三维金刚石及其他多种性能各异的材料。近些年碳材料相关的制备及性能研究开展如火如荼,特别是在能源相关领域占有越来越重要的位置,新型碳材料制备策略发展对于碳材料新结构的开发及新性质的发现具有重要意义。目前已有碳材料制备方法主要有:化学气相沉积和热解法,但仍存在制备成本较高、条件不够温和、规模化困难、存在潜在污染等问题。如何实现碳材料特别是功能型(多元素可掺杂性)碳材料的低成本、低污染、能耗较低的制备具有重大的科学及实际意义。


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近期,北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室的孙晓明研究团队与凯斯西储大学戴黎明课题组合作,发展了一种碳材料的新型制备策略,所采用的碳源为有机卤化物高分子(主要指聚偏二氯乙烯(PVDC)和聚偏二氟乙烯(PVDF)),利用该类有机卤化物可在强碱性的物质(例如KOH)的帮助下,实现官能团的快速脱除,温和条件下有效获得碳材料。其脱官能团过程不需高温,脱卤素过程中的碳具有非常高的反应活性,可快速发生C-C偶联或杂原子引入,碳化和掺杂过程室温或中低温即可完成。同时,此过程可选择的碱种类较多,所选择的强碱的性质可一定程度上延伸至所制备的碳材料中去,如使用KOH发生的脱官能团反应,过量的强碱在中温下原位地对所制备的碳材料进行活化,引入大量微孔。再如使用乙醇钠作为强碱对PVDC进行脱氯,发现所制备的碳材料具有类石墨烯形貌,可能与反应副产物气化产生Bubbling效应有关。此外,该类反应的副产物为水溶性固体盐(如使用PVDC和KOH的情况下,固体副产物盐为KCl)和水,后处理容易,环境友好。该团队利用该策略制备的氮掺杂多级孔碳材料使用较低温度焙烧即具备较高碳含量和氮掺杂量,且具有高达1735.5 m2 g-1 的比表面积。将这种材料作为超级电容器电极材料使用,发现其具有高达328 F g-1的比容量,且大功率充放电行为优秀,50 A g-1下电容保持率75%,容量达到247 F g-1, 100 A g-1下电容容量保持62.5%,达到205 F g-1。

该工作不仅发展一种室温、简单易行、环境友好的碳材料的制备策略,也为碳材料的功能化、结构化提供了切实可行的思路,用以满足实际应用对于碳材料各个方面的要求。本工作发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201505533)上,第一作者为北京化工大学博士生张国新。