赵东元院士教你合成介孔碳材料！

科学百晓生

复旦大学赵东元院士一直从事功能介孔材料的制备与应用研究，由于在“有序介孔高分子和碳材料的创制与应用”的突出研究成果，荣获2020年自然科学一等奖。

功能介孔碳纳米材料由于具有良好的孔隙率和高效的物质传输性能，在生物医学、气体分离、催化、传感和能量存储与转换等方面具有广阔的应用潜力。近年来，以单胶束为结构导向单元的“单胶束”组装新概念已成为制备碳质纳米材料的强大工具。在这里单胶束是一个组装单元，像“乐高积木”一样，是由嵌段共聚物/表面活性剂和前驱体通过氢键、库仑力或其他非共价相互作用组成的单介孔模板。单胶束组装具有较高的可控性和通用性，可以通过改变合成条件来调节胶束的大小、结构、以及形状，从而为合成传统模板方法难以实现的各种新型纳米结构提供了机会，如图1所示。

图1. 合成介孔碳材料的3中方法。（a）硬模板法；（b）软模板法和（c）单胶束组装法。

根据单胶束组装方法，可以合成各种的介孔碳纳米球(图2)。在单粒束体系中，胶束结构直接依赖于三嵌段共聚物的两亲性。例如，以P123为模板，在搅拌产生的剪切力作用下，层状单胶束可以进行层层螺旋组装，最终形成多壳纳米球。用嵌段共聚物P105取代P123模板，可以形成圆柱形单胶束，组装成花状结构的介孔碳纳米球。进一步将模板换成F127表面活性剂，形成球形单胶束，生成发散的介孔纳米球).以P108为模板时，只能形成光滑的单腔实心纳米球。

图2. 通过改变表面活性剂的种类控制合成不同的介观结构。

在该单胶束体系中，使用不同的TMB量可以精确控制单胶束的大小(图3)。当TMB用量为0.5 mL时，只能得到无孔纳米球。当TMB量增加到1.0 mL时，会形成表面有中孔的均匀纳米球，就像高尔夫球一样。进一步将TMB用量增加到1.5 mL，可以形成组装成多腔介孔纳米球。当TMB用量达到2.0 mL时，可以获得树枝状介孔纳米球。

图3. 通过改变加入不同的油滴小分子控制合成不同的孔尺寸。

此外，该系统中的胶束还具有动态可调性。在组装过程中还可以通过调节搅拌速率来动态调整单胶束尺寸，为合成独特的梯度双介孔碳纳米球带来了新的机会（图4）。

图4. 通过改变搅拌的速度控制合成梯度双孔介孔结构。

在体系中引入两相界面可以诱导单体的各向同性组装，从而形成多种新颖的介孔异质结构。在体系中加入CdS纳米颗粒后，单微粒可以在其表面组装，从而形成核壳结构的CdS@meso-C纳米颗粒。将CdS纳米颗粒替换为其他基底，分别得到均匀CNTs@meso-C纳米纤维、Fe₃O₄/mesoSiO₂@meso-C Janus颗粒和meso-TiO₂@meso-C纳米片。

图5. 通过引入固液界面控制合成介孔碳异质结。

综上，本文通过发展一种通用的单胶束组装的方法，系统地合成了具有不同结构，孔尺寸的介孔高分子和碳纳米球。同时，通过在胶束体系中引入固液界面可以合成各种介孔碳异质结结构。为构建具有高度复杂性和功能性的介孔高分子和碳材料开辟了一条新的路径。

论文信息：Liang Peng, et al, Monomicellar assembly to synthesize structured and functional mesoporous carbonaceous nanomaterials, Nature Protocols, 17, (2022)

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41596-022-00784-6