我科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)單開(kāi)口中空碳球合成新策略并進(jìn)一步揭示空間限域效應(yīng)

5月6日，記者從中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)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(kāi)發(fā)了一種聚乙二醇(PEG)分子輔助的策略合成單開(kāi)口中空碳球(HCH)，并進(jìn)一步研究了其在有機(jī)染料分子吸附過(guò)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(dú)特的空腔結(jié)構(gòu)，高的比表面積及孔隙率等優(yōu)點(diǎn)，在催化、吸附、儲(chǔ)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(huì)阻礙大分子擴(kuò)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(guò)在一系列液相加氫反應(yīng)中的對(duì)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(duì)于2-乙烯萘，由于殼壁的限制作用會(huì)使反應(yīng)速率降低，對(duì)于分子尺寸更大的9-乙烯蒽，殼壁微孔的存在會(huì)限制其進(jìn)入空腔進(jìn)行加氫反應(yīng)。由此可見(jiàn)，中空碳?xì)由系目椎莱叽鐚?duì)傳質(zhì)有顯著的影響，對(duì)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(chǔ)等作用。

基于上述對(duì)中空材料的認(rèn)識(shí)，研究人員利用PEG分子在高溫水熱過(guò)程中與水分子的氫鍵作用力減弱，疏水性增強(qiáng)，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(kāi)口結(jié)構(gòu)。通過(guò)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(guò)對(duì)比研究表明，在吸附大分子染料(例如：剛果紅)的過(guò)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(jìn)一步證明了HCH的空間限域效應(yīng)，在吸附大分子過(guò)程中產(chǎn)生富集作用。

不同結(jié)構(gòu)中空碳球及吸附強(qiáng)化過(guò)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(duì)比研究