中国粉体网讯 多孔碳材料具有大的比表面积、发达的孔隙结构和良好的化学稳定性等优点，在多个研究领域表现出广阔的应用前景。多孔碳材料可以利用简便的方法合成，通过在孔道内引入活性位点可将其应用在电化学、吸附、催化等领域。然而，在实际应用过程中却无法发挥出多孔碳材料的优良特性。从多孔碳材料的常用合成方法出发，通过分析各种合成方法的优缺点，归纳出不同方法的适用条件及在实际应用过程中出现的各种问题。
多孔碳结构图 图源：桂林理工大学
多孔碳材料的制备方法
（1）活化法
活化法是将碳前驱体与活化剂混合后在高温惰性气体的条件下在碳前驱体上发生造孔反应的一种方法。活化法分为物理活化法和化学活化法，物理活化法包括两个步骤：（1）利用高温（通常 800℃以上）将碳前驱体进行碳化；（2）使用水蒸汽或者二氧化碳作为活化剂与碳前驱体反应达到造孔的目的。然而物理活化法只发生在碳材料的表面，活化作用力较弱，因此大多采用化学活化的方法。化学活化法利用化学试剂在高温条件下与碳前驱体反应以达到造孔的目的。常用的活化试剂有KOH、KHCO3、NaHCO3、H3PO4 和 ZnCl2 等。
氮、硫共掺杂多孔碳的合成方法示意图
（2）模板法
模板法是将碳前驱体填充到模板内，然后对碳前驱体/模板进行高温加热，使碳前驱体逐渐碳化，最后将模板去除获得多孔碳材料的一种方法。模板的主要作用是提供制备相应多孔碳材料所需的模具，模板与碳前驱体之间不会发生相互作用，得到的多孔碳材料的孔结构与模板相似。根据模板与客体的作用力的不同，模板法可以分为硬模板法和软模板法。
（3）溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是通过醇盐或者金属无机盐与溶剂混合形成溶液，经水解、缩聚形成溶胶-凝胶，随后经过陈化、干燥、低温烧结等工艺来制备多孔碳材料的一种方法。在采用溶胶-凝胶法合成多孔碳材料时，常常会在干燥阶段造成孔道结构的坍塌。为避免此现象，常采用模板法辅助溶胶凝胶的方法合成多孔碳材料。
综上，在3种合成方法中，活化法操作方便，但合成的多孔碳材料孔道不均匀；模板法可利用模板的有序结构对孔道进行调节，这促使模板法发展迅速；溶胶-凝胶法操作简便、反应条件温和，但是反应过程中易出现孔道坍塌的现象；溶胶-凝胶法辅助模板法恰好弥补了这一缺陷。所合成的多孔碳材料具有较大的比表面积和丰富的孔道结构，通过在合成过程中引入活性位点，所得材料可以应用于电化学、吸附、催化等不同领域。
多孔碳材料的应用
（1）超级电容器
超级电容器是一类与蓄电池相似但又不同于蓄电池的存储器件，按照电容储存机制的不同，超级电容器可以分为双电层电容器和赝电容器。超级电容器具有高的功率密度、高电容值以及较长的循环寿命等优势，可以应用于计算机、通信、国防等领域。在实际应用过程中常常存在比电容低、能量密度低等问题。针对此问题，目前一般采用增大比表面积的方法。较大的比表面积可以促进离子的吸附进而提高超级电容器的比电容。
超级电容器基本结构示意图
（2）多孔碳材料的吸附应用
对二氧化碳的吸附和转化：多孔碳材料因其独特的理化性质，可以有效对二氧化碳进行吸附和转化。研究发现多孔碳材料对二氧化碳的吸附能力与碳材料的比表面积和微孔体积有关。
对重金属离子的吸附：重金属离子具有显著的毒性而且难以被降解，常采用吸附剂进行吸附。活性炭表面官能团数目较少， 用作吸附剂时需要对其表面进行化学改性以增加官能团的数目，进而促进对溶液中重金属离子的吸附。
（3）多孔碳材料作多相催化剂载体
多孔碳材料具有良好的化学和物理稳定性以及较高的机械强度，是良好的催化剂载体。虽然均相催化具有高的反应性和选择性，但是产物与反应物难分离，限制了均相催化的应用范围。有研究发现，将金属负载在多孔碳材料上用于多相催化时具有易分离、易回收、提高催化效率等优点。
结语
多孔碳材料可以通过活化法、模板法以及溶胶-凝胶法合成。采用活化法可以获得较大比表面积的多孔碳，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，更有利于实际应用；溶胶-凝胶法操作简便但周期长。目前，一般采用几种合成方法共同使用以达到研究者想要的多孔碳材料。
优良的化学稳定性、导电性以及可调节的孔道促进多孔碳材料广泛应用在超级电容器、吸附、催化领域。通过增大比表面积和改善离子进出通道有效地提高了超级电容器的能量密度。在多孔碳材料的孔道内引入较多的活性位点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发展潜能，其合成方法仍在不断优化，特别是对于孔径分布以及孔结构的调控方面仍会进行深入探索，实现更高效、更绿色的合成新材料并拓展应用领域是研究者共同的追求。
参考来源：
付慧，多维度孔结构碳材料制备及其电化学性能
赵晓玲等，生物质多孔碳的制备、掺杂及应用
朱万兵等，盐+碱协同对多孔碳电极材料电化学性能的影响
刘玮等，多孔碳材料的制备及应用进展
（中国粉体网编辑整理/留白）
注：图片非商业用途，存在侵权请告知删除！
