中國粉體網訊 近年來，納米多孔碳材料作為吸附劑、催化劑載體、電儲能材料等成為研究熱點之一。特別是定制尺寸、均勻孔徑的納米碳的合成將多孔結構優化到理想性能而備受關注。制備納米多孔碳材料的有效方法之一是使用多孔模板，例如利用具有均一有序微孔結構和高比表面積的沸石分子篩來制備沸石模板碳（ZTC）。
ZTC是一種將沸石作為犧牲模板合成的有序微孔碳材料，具有高比表面積（2000～4000m2/g）和大微孔體積（1.0～1.8cm3/g）的特點，還具有良好的化學改性適應性，是一種理想的鈉離子電池負極材料。
與孔隙網絡隨機的活性炭材料不同，由于其制備過程中將沸石作為模板犧牲，因此通過使用合適的沸石模板，制備出的ZTC材料往往具有均勻的微孔尺寸、發達的微孔和有序的孔結構。
十六種類型的沸石用作制備納米碳材料的模板
碳引入沸石納米通道制備ZTC的方法大致有3種：浸漬碳化法、化學氣相沉積法以及將二者結合的兩步法。
浸漬碳化法將有機單體直接引入沸石通道中，經聚合形成聚合物/沸石復合材料。沸石催化可以將大多數有機化合物轉化為聚合物之后再轉化為碳質物質。這種方法可以使用多種單體，包括不易聚合的有機物單體。但聚合步驟繁瑣、實驗耗時過長。
化學氣相沉積法（CVD）向沸石中引入足夠多的碳以獲得ZTC。碳沉積使沸石孔入口的尺寸變小，應選擇小分子的CVD碳源氣體，如乙烯、丙烯和丁烯等。每一種CVD碳源氣體都有其熱分解的溫度，高于氣體熱分解溫度時，即使沒有催化劑，也會使其在氣相中轉化為碳。此情況下，碳不僅沉積在分子篩顆粒內部，同時還沉積在分子篩顆粒的外部，外部的沉積不利于CVD碳源氣體進入沸石納米通道的內部，影響其內部連續碳骨架的形成，不利于分子篩有序結構的保持。因此，CVD溫度要低于分解溫度才能避免此類情況的發生。但低溫下，分子篩納米通道內生成的多環芳香族化合物之間不能形成牢固的連接，只有高于分解溫度時，多環芳香族化合物才可凝聚形成連續的碳骨架，即使在分子篩被刻蝕后仍能保持分子篩內的有序結構。所以，需要在低于分解溫度時先進行CVD，之后在惰性氣體氣氛中進一步高溫熱處理來制備理想的有序孔結構ZTC。對于大規模生產，CVD方法簡單高效。
2023年8月，中國粉體網將在山城重慶舉辦“2023先進正極材料技術與產業高峰論壇暨第一屆鈉離子電池材料技術研討會”。我們有幸邀請到華北電力大學的潘偉平教授為我們帶來題為《多孔官能化沸石模板碳結構調控及大規模制備》的報告。
在本報告中，潘教授以不同類型的沸石為模板制備不同孔道結構的ZTC樣品，以優化Na+在負極的插排特性；其次，采用化學氣相共沉積法在制備ZTC的過程中原位引入硫、氮等化學基團，進一步提升其儲存Na+的性能；最后，采用流化床反應器實現ZTC的規模化量產，為產業化制備鈉離子電池奠定了基礎。
潘偉平，美國西肯塔基大學ICSET研究所創始人，華北電力大學（北京）特聘教授，曾任北美熱分析協會主席、院士成員，美國化學學會會員、美國燃燒協會會員、國際熱分析和量熱聯合會成員、美國肯塔基州科學學術委員會成員。曾獲肯塔基州千萬美元俱樂部獎及肯塔基州科學院最高獎項“著名的大學科學家”，全球熱分析ICTAC等獎項。
主要研究方向包括：先進熱分析測試、痕量元素(汞、砷、鉛、鎘和鉻等)遷移轉化規律及控制技術、新材料研發和可再生能源利用基礎研究。
參考資料：
1、李巖松等，《Y型沸石為模板化學氣相沉積法制備模板碳的研究》
2、周錫山，《沸石模板碳吸附揮發性有機物特性及機理研究》
（中國粉體網編輯整理/長安）
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