炭材料因具有特定的微观结构、可调控的孔隙特征及优良的物理化学稳定性等特点,已被广泛应用于环境治理、能量存储、生物医药、电子信息和国防科技等多个领域.炭材料的微观结构是决定其功能化应用性能的关键因素,因此,针对不同用途定向设计和可控制备具有特定功能的炭材料,并实现其微观结构的精准调控具有重要意义.在众多炭材料制备方法中,天然矿物模板法因在炭材料的微观结构精准调控、模板资源丰富、制备工艺高效等方面具有明显优势而备受关注.自然界中存在大量具有一维、二维、三维结构的天然矿物,且拥有特殊的微观形貌特征和发达的孔隙结构,为定向制备特定结构的炭材料提供了优质的天然模板.本文简要介绍了天然矿物为模板制备功能炭材料的原理,并在此基础上重点综述了天然矿物模板法在功能炭材料制备及其微观结构调控等方面的研究现状与发展动态.主要体现在:(1)利用埃洛石、凹凸棒石和海泡石等一维纳米结构特征,通过碳质前驱体对天然模板形貌或孔道的选择性复制来制备碳纳米管、碳纳米棒和碳纳米纤维,并借助热处理和酸活化等手段对矿物模板进行预先改性以实现一维纳米炭材料形貌特征和孔隙结构的双重调控;(2)利用蛭石、蒙脱石和水滑石等二维层状结构特征,通过碳质分子在矿物层间限域空间内的定向排列来制备石墨烯和碳纳米片,并借助热处理和离子交换等手段对矿物模板进行适度扩层改性以实现二维纳米炭材料微观结构的有效调控;(3)利用沸石和硅藻土等三维立体架构多孔特征,通过多孔矿物的结构导向作用制备具有"微孔-中孔-大孔"层次孔结构的三维多孔炭,并借助CO2、H2 O和KOH等协同活化造孔以实现多孔炭材料三维多孔结构的精准调控.最后,本文指出了利用天然矿物为模板制备功能炭材料所存在的主要问题,并对天然矿物模板法制备功能炭材料的未来发展趋势进行了展望,以期为高性能功能炭材料的研发与应用提供参考.

天然矿物;模板法;功能炭材料;微观结构;孔隙结构;结构调控

侯磊;韩学锋;邢宝林;曾会会;王振帅;郭晖;张传祥;谌伦建

河南理工大学化学化工学院,河南省煤炭绿色转化重点实验室,河南 焦作454003;煤炭安全生产河南省协同创新中心,河南 焦作454003

材料导报

[1]侯磊;韩学锋;邢宝林;曾会会;王振帅;郭晖;张传祥;谌伦建-.天然矿物为模板制备功能炭材料的研究进展)[J].材料导报,2022(12):28-38

功能炭材料,纳米炭材料

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