中空碳材料因其獨(dú)特的空腔結(jié)構(gòu)，高的比表面積及孔隙率等優(yōu)點(diǎn)，在催化、吸附、儲(chǔ)能和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。但是，中空碳材料的殼壁往往會(huì)阻礙大分子擴(kuò)散，使空腔失去作用，極大限制了中空碳材料的性能及應(yīng)用范圍。近日，為了提高空腔的利用效率以及拓展中空碳材料的應(yīng)用范圍，青島能源所王光輝研究員聯(lián)合浙江工業(yè)大學(xué)朱藝涵教授開發(fā)了一種聚乙二醇（PEG）分子輔助的策略合成單開口中空碳球（HCH），并進(jìn)一步研究了其在有機(jī)染料分子吸附過程中的性能及空間限域效應(yīng)，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Chemistry of Materials《材料化學(xué)》雜志上。
前期，王光輝研究員帶領(lǐng)的多孔催化材料研究組成功制備了兩種中空碳球納米反應(yīng)器：PdCu雙金屬納米粒子封裝于空心碳球內(nèi)部的納米反應(yīng)器（PdCu@HCS）和負(fù)載于空心碳球外表面的納米反應(yīng)器（PdCu/HCS）。通過在一系列液相加氫反應(yīng)中的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)空間限域作用有利于提高小分子（例如：苯乙烯）的加氫反應(yīng)速率，而對(duì)于2-乙烯萘，由于殼壁的限制作用會(huì)使反應(yīng)速率降低，對(duì)于分子尺寸更大的9-乙烯蒽，殼壁微孔的存在會(huì)限制其進(jìn)入空腔進(jìn)行加氫反應(yīng)。（
Angew. Chem., Int. Ed., 2020, 59, 18374-18379）由此可見，中空碳?xì)由系目椎莱叽鐚?duì)傳質(zhì)有顯著的影響，對(duì)于與孔尺寸相近或更大的底物分子，空腔并不能起到富集或者存儲(chǔ)等作用。
基于上述對(duì)中空材料的認(rèn)識(shí)，研究人員利用PEG分子在高溫水熱過程中與水分子的氫鍵作用力減弱，疏水性增強(qiáng)，在微乳界面起到反向破乳劑的作用，使得微乳模板的穩(wěn)定性降低，最終成功合成單開口結(jié)構(gòu)。通過改變PEG分子的大小，還可以合成完整中空結(jié)構(gòu)（HCS）以及半碗結(jié)構(gòu)（HCB）的碳材料。通過對(duì)比研究表明，在吸附大分子染料（例如：剛果紅）的過程中，HCH較HCS和HCB具有更快的吸附速率和更高的吸附容量（HCH的吸附容量是HCS的4倍）。這一結(jié)果進(jìn)一步證明了HCH的空間限域效應(yīng)，在吸附大分子過程中產(chǎn)生富集作用。
圖1 不同結(jié)構(gòu)中空碳球及吸附強(qiáng)化過程
該論文第一作者是青島能源所的博士研究生于群，通訊作者是浙江工業(yè)大學(xué)的朱藝涵教授和青島能源所的王光輝研究員。該工作得到國家自然科學(xué)基金，中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金和浙江省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
Q. Yu, D.-C. Li, Z. Tian, C. Zhu, C. Jiao, Q. Zhang, Y. Chen, Y. Zhu,* H. Jiang, J. Liu, G.-H. Wang*. Single-hole Hollow Carbon Nanospheres via Polyethylene Glycol-assisted Emulsion-templating Strategy for Intensified Liquid-phase Adsorption. Chem. Mater., 2022, DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c04419
