JACS趙東元團隊納米微乳液精確介孔碳球的孔尺寸和架構

　　盡管介孔碳納米球具有如此優異特性和應用前景，但其孔隙大小和架構的精確調控非常困難。特別是大孔（>20 nm）介孔碳球的合成具有巨大的挑戰性。人們發展了許多方法想實現這一目標。

　　有代表性的是以大分子量表面活性劑為模板的軟模板法（例如PS-b-PS），通過調控表面活性劑疏水段(PS段)的長度來實現大孔碳球的合成。這種方法可以實現孔隙的連續調控，但是表面活性劑的合成過程復雜，而且孔隙調控有限。

　　另外一個有代表性的方法是以SiO2納米球為模板的硬模板法，通過調控SiO2球的大小以及選擇合適的前驅物來實現介孔碳球孔隙的調節。這種方法可以得到大孔的納米碳球，但是合成過程同樣非常復雜，耗時長，而且在后期去除硬模板的過程中應用的強腐蝕性溶液具有危險性，不適合大規模合成。

　　其他的合成方法，例如氣泡輔助法，分相法和多表面劑法所得到的碳材料在顆粒尺寸，形貌控制，孔隙均勻性等方面均存在不足。精確調控介孔碳納米球的孔隙大小和架構，實現大孔介孔碳納米球的合成至今還未實現，探究普適性制備超大孔介孔碳球的方法顯得十分必要。

　　近日，趙東元院士團隊在JACS上發文，報道了該課題組發展的一種納米微乳液組裝的普適性方法，用于合成具有可調孔徑和架構的功能介孔碳納米球。

　　作者以商業化的Pluronic F127為模板，以多巴胺（DA）為碳源和氮源，以1,3,5-三甲苯（TMB）為調節劑，在水和乙醇的體系中合成一系列到具有可調孔徑的氮摻雜碳納米球。在合成的過程中，作者發現有機小分子（TMB）不僅對于孔隙的大小有著重要的作用，而且對于軟模板（F127）和前驅物（DA）所形成的界面有巨大的影響。因此，通過調控TMB的用量可以有效控制膠束的組裝方式，從而達到調控碳球孔隙和架構的目的，分別得到了光滑碳球，高爾夫形碳球，多空腔形碳球，以及樹突形碳球。所合成的碳球的孔隙可以在5-37納米范圍連續調控。其中，樹突形碳球具有超大的孔徑（~37 nm），較小的粒徑（~128 nm），高的比表面積（~635 m2 g-1），和豐富的氮含量（~6.8 wt%）。得益于這些獨特的物理化學性能，其在堿性電解液中顯示出卓越的氧還原性能（ORR），包括高的電流密度，優異的循環穩定性和抗甲醇性能。這種簡單，巧妙的納米微乳液合成策略對于合成新穎的納米結構提供了新思路。

　　該工作得到了復旦大學化學系、聚合物分子工程國家重點實驗室、上海市分子催化與功能材料重點實驗室、國家重點研發項目、國家自然科學基金委、上海市科學技術委員會、上海市啟明星項目的大力支持。