中國粉體網訊 多孔碳材料具有大的比表面積、發達的孔隙結構和良好的化學穩定性等優點，在多個研究領域表現出廣闊的應用前景。多孔碳材料可以利用簡便的方法合成，通過在孔道內引入活性位點可將其應用在電化學、吸附、催化等領域。然而，在實際應用過程中卻無法發揮出多孔碳材料的優良特性。從多孔碳材料的常用合成方法出發，通過分析各種合成方法的優缺點，歸納出不同方法的適用條件及在實際應用過程中出現的各種問題。
多孔碳結構圖 圖源：桂林理工大學
多孔碳材料的制備方法
（1）活化法
活化法是將碳前驅體與活化劑混合后在高溫惰性氣體的條件下在碳前驅體上發生造孔反應的一種方法。活化法分為物理活化法和化學活化法，物理活化法包括兩個步驟：（1）利用高溫（通常 800℃以上）將碳前驅體進行碳化；（2）使用水蒸汽或者二氧化碳作為活化劑與碳前驅體反應達到造孔的目的。然而物理活化法只發生在碳材料的表面，活化作用力較弱，因此大多采用化學活化的方法。化學活化法利用化學試劑在高溫條件下與碳前驅體反應以達到造孔的目的。常用的活化試劑有KOH、KHCO3、NaHCO3、H3PO4 和 ZnCl2 等。
氮、硫共摻雜多孔碳的合成方法示意圖
（2）模板法
模板法是將碳前驅體填充到模板內，然后對碳前驅體/模板進行高溫加熱，使碳前驅體逐漸碳化，最后將模板去除獲得多孔碳材料的一種方法。模板的主要作用是提供制備相應多孔碳材料所需的模具，模板與碳前驅體之間不會發生相互作用，得到的多孔碳材料的孔結構與模板相似。根據模板與客體的作用力的不同，模板法可以分為硬模板法和軟模板法。
（3）溶膠-凝膠法
溶膠-凝膠法是通過醇鹽或者金屬無機鹽與溶劑混合形成溶液，經水解、縮聚形成溶膠-凝膠，隨后經過陳化、干燥、低溫燒結等工藝來制備多孔碳材料的一種方法。在采用溶膠-凝膠法合成多孔碳材料時，常常會在干燥階段造成孔道結構的坍塌。為避免此現象，常采用模板法輔助溶膠凝膠的方法合成多孔碳材料。
綜上，在3種合成方法中，活化法操作方便，但合成的多孔碳材料孔道不均勻；模板法可利用模板的有序結構對孔道進行調節，這促使模板法發展迅速；溶膠-凝膠法操作簡便、反應條件溫和，但是反應過程中易出現孔道坍塌的現象；溶膠-凝膠法輔助模板法恰好彌補了這一缺陷。所合成的多孔碳材料具有較大的比表面積和豐富的孔道結構，通過在合成過程中引入活性位點，所得材料可以應用于電化學、吸附、催化等不同領域。
多孔碳材料的應用
（1）超級電容器
超級電容器是一類與蓄電池相似但又不同于蓄電池的存儲器件，按照電容儲存機制的不同，超級電容器可以分為雙電層電容器和贗電容器。超級電容器具有高的功率密度、高電容值以及較長的循環壽命等優勢，可以應用于計算機、通信、國防等領域。在實際應用過程中常常存在比電容低、能量密度低等問題。針對此問題，目前一般采用增大比表面積的方法。較大的比表面積可以促進離子的吸附進而提高超級電容器的比電容。
超級電容器基本結構示意圖
（2）多孔碳材料的吸附應用
對二氧化碳的吸附和轉化：多孔碳材料因其獨特的理化性質，可以有效對二氧化碳進行吸附和轉化。研究發現多孔碳材料對二氧化碳的吸附能力與碳材料的比表面積和微孔體積有關。
對重金屬離子的吸附：重金屬離子具有顯著的毒性而且難以被降解，常采用吸附劑進行吸附。活性炭表面官能團數目較少， 用作吸附劑時需要對其表面進行化學改性以增加官能團的數目，進而促進對溶液中重金屬離子的吸附。
（3）多孔碳材料作多相催化劑載體
多孔碳材料具有良好的化學和物理穩定性以及較高的機械強度，是良好的催化劑載體。雖然均相催化具有高的反應性和選擇性，但是產物與反應物難分離，限制了均相催化的應用范圍。有研究發現，將金屬負載在多孔碳材料上用于多相催化時具有易分離、易回收、提高催化效率等優點。
結語
多孔碳材料可以通過活化法、模板法以及溶膠-凝膠法合成。采用活化法可以獲得較大比表面積的多孔碳，但是易造成孔道的坍塌；模板法可以得到孔道有序的模板碳，更有利于實際應用；溶膠-凝膠法操作簡便但周期長。目前，一般采用幾種合成方法共同使用以達到研究者想要的多孔碳材料。
優良的化學穩定性、導電性以及可調節的孔道促進多孔碳材料廣泛應用在超級電容器、吸附、催化領域。通過增大比表面積和改善離子進出通道有效地提高了超級電容器的能量密度。在多孔碳材料的孔道內引入較多的活性位點有效地改善了多孔碳材料的吸附性能和催化性能。
多孔碳材料具有很高的發展潛能，其合成方法仍在不斷優化，特別是對于孔徑分布以及孔結構的調控方面仍會進行深入探索，實現更高效、更綠色的合成新材料并拓展應用領域是研究者共同的追求。
參考來源：
付慧，多維度孔結構碳材料制備及其電化學性能
趙曉玲等，生物質多孔碳的制備、摻雜及應用
朱萬兵等，鹽+堿協同對多孔碳電極材料電化學性能的影響
劉瑋等，多孔碳材料的制備及應用進展
（中國粉體網編輯整理/留白）
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