中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

    有序介孔碳材料具有规整的孔结构、均一的孔尺寸、较大的比表面积和孔体积、较好的化学稳定性等特点，在分离、吸附、催化、电子、生物等领域具有潜在的应用潜力。稀水溶液中自组装法是在酸性或碱性条件下模板剂与前驱体自组装形成复合物并实现其相分离而得到有序介孔聚合物及相应的碳材料，其优点是可以实现大规模生产，但是在碱性溶液中非常耗时，而在酸性环境中则需要强酸性才能较快反应。在本论文中，我们以苯酚-甲醛树脂为前驱体，三嵌段共聚物F127为模板剂，发展了一种盐诱导快速相分离的方法来制备有序介孔碳材料。

    氧还原反应（oxygen reduction reaction, ORR）是燃料电池中的关键反应之一，由于其缓慢的动力力学和过高的过电势，严重制约了燃料电池效率的提升，因此需要电催化剂来催化其反应并降低过电势。金属铂是目前最高效的ORR催化剂，但其价格昂贵，限制了燃料电池的商业化发展。铁和氮元素共同掺杂的碳材料（Fe-N/C）是一类极有前途可能替代铂的催化剂，这类材料一般通过含Fe/N/C的前驱体热解来得到，我们的研究发现，如果在前驱体中加入碱金属盐，那么就可以得到普鲁士蓝。基于上面的介绍，本论文的主要内容及结论如下：

    1.发展了盐诱导相分离的方法来快速制备有序介孔碳材料并提出了可能的机理来解释实验结果。以三嵌段共聚物PluronicF127为模板，苯酚-甲醛树脂（phenol-formaldehyde resin, PF）为前驱体，在碱性溶液中合成有序介观结构复合物溶液，通过调节pH值和加入高浓度NaCl溶液的方法实现了该复合物的相分离。实验结果发现，在碱性环境中盐诱导相分离导致无序结构的碳材料，而在酸性环境中盐诱导的相分离导致有序介孔碳材料的出现。盐浓度对制备过程和所得材料的结构也有重要影响。NaCl不是唯一可以导致相分离的盐，KCl也具有相同的作用。基于氢键、静电作用和盐的相互作用，我们提出了一个可能的机理来解释这种结果。本论文所发展的方法对于快速简便地制备有序介孔碳材料具有重要的意义；更重要的是，实验结果表明，在自组装形成有序介观结构的过程中，氢键或静电作用发挥了重要的作用，而无机盐作为一种强干扰作用，不仅导致了有序介观结构复合物的相分离，而且可以区别两种作用力的强弱。这些结果对于深入理解自组装法制备有序介孔材料的机理具有重要的启发。

    2.在含有Fe/N/C的前驱体中加入碱金属盐，通过热解的方法得到了普鲁士蓝及其与碳的复合材料，这与之前的报道完全不同。通过追溯普鲁士蓝的发现历史及相关研究成果，我们第一次对普鲁士蓝的形成机理作了分析，这有助于对普鲁士蓝的重新认识，所得普鲁士蓝与碳的复合材料可能在电化学领域具有潜在的应用价值。