近日，記者從中科大獲悉，中國科學技術(shù)大學俞書宏教授和梁海偉教授研究團隊發(fā)展了一種過渡金屬鹽催化有機小分子碳化的合成新途徑，實現(xiàn)了在分子層面可控的宏量合成多孔摻雜碳納米材料。研究成果發(fā)表在7月27日出版的《科學進展》上。

   據(jù)了解，碳納米材料因具備高的導電性、優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、獨特的微觀結(jié)構(gòu)等物理性質(zhì)，在環(huán)境、能源、催化、電子器件和聚合物等領(lǐng)域有著廣泛的應用。特別是擁有高的比表面積、多孔結(jié)構(gòu)、理想的雜原子摻雜等特征的碳納米材料，更受青睞。傳統(tǒng)碳化低蒸氣壓的自然產(chǎn)物(如纖維素和淀粉)，很難控制碳材料的微觀結(jié)構(gòu)和雜原子摻雜；使用合成聚合物為前驅(qū)物制備碳納米材料，過程復雜緩慢，且不易規(guī)模化生產(chǎn)。開發(fā)簡單、廉價、可控的方法宏量制備碳納米材料依然面臨巨大挑戰(zhàn)。

   有機小分子因其廣泛存在、種類多樣、元素豐富，是一種理想的制備碳納米材料的前驅(qū)體。但在高溫下有機小分子高的揮發(fā)性使得其作為原料制備碳納米材料必須使用復雜方法和設(shè)備，如化學氣相沉積和高壓密閉合成。

   針對上述挑戰(zhàn)，研究人員提出一種過渡金屬輔助有機分子碳化的方法，通過使用過渡金屬鹽輔助熱解有機小分子來制備碳納米材料。在高溫熱解過程中，過渡金屬鹽不僅能提高小分子的熱穩(wěn)定，還能催化其聚合優(yōu)先形成相應的聚合物中間體，避免有機小分子在高溫熱解中揮發(fā)，*終形成碳納米材料。他們發(fā)現(xiàn)，至少15種有機小分子和9種過渡金屬鹽可以作為碳前驅(qū)物和催化劑來制備相應的碳基納米材料，同時多種硬模板可以用在該方法中來提高所得材料的比表面積和多孔性。研究表明，該方法是一種普適、簡單、高效的碳納米材料合成方法。

   運用這種方法制備的碳材料具有三種微觀結(jié)構(gòu)：竹節(jié)狀的多壁納米管、微米尺度的片和無規(guī)則的顆粒。這些碳納米材料比表面積和孔體積*高可達 分別為1202平方米/克和2.16立方厘米/克，并具有豐富的雜原子，如硫元素的含量*高可達13.35%，氮元素的含量可達6.44%，還具有很高的石墨化程度，是一類理想的多相催化劑和電催劑。

   該法制備的多孔碳納米材料在選擇性乙苯氧化、硝基苯氫化、析氫反應、氧還原反應中，均表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。該研究為高效制備碳納米材料提供了一種普適的合成路線，對今后發(fā)展合成具有理想結(jié)構(gòu)和成分的碳納米材料具有指導意義。