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王鸿研究员和袁家寅教授联合讲述:利用聚离子液体多孔聚合物膜模板优化杂原子掺杂多孔碳膜制备
2020-10-14  

来源:AMR材料研究述评

    9月25日,我院王鸿研究员和斯德哥尔摩大学袁家寅教授合作的AMR论文“Advanced Heteroatom-Doped Porous Carbon Membranes Assisted by Poly(ionic liquid) Design and Engineering”正式在线发表。

作者简介
王宇成,博士。2019于厦门大学物理化学专业获得博士学位,2018-2019在加拿大国立科学研究院进行联合培养,2019年至今在斯德哥尔摩大学从事博士后研究。主要方向为燃料电池表界面与器件。

邵越,清华大学硕士研究生,主要研究方向为多尺度高分子材料。

王鸿,博士,南开大学化学学院研究员,入选南开大学百名青年学术带头人。主要从事聚离子液体功能材料的研究。在聚离子液体多孔膜、杂原子掺杂多孔碳膜等领域取得重要研究进展。

袁家寅,博士,瑞典斯德哥尔摩大学教授,德国马普胶体所客座教授。主要从事功能高分子和碳材料的基础研究以及在能源和环境方面的应用。

请简要描述一下这篇Account所介绍的研究及其研究背景。
   通过高温碳化聚合物纺丝纤维所制备的碳纸是目前工业化的碳膜材料,被广泛地应用于能源转化、军工等领域。目前高性能碳膜主要由日本东丽(Toray)公司、加拿大Ballard公司和德国西格里(SGL)公司生产,其价格昂贵,生产和出口受到不同程度的限制,因而研发多孔碳膜宏量制备技术具有重要的战略意义。
孔径、电子结构及表面浸溶性可精准调控的杂原子掺杂多孔碳膜(即Heteroatom-doped Porous Carbon Membranes,英文缩写HPCMs)是一类极具应用前景的多孔碳材料,但是受限于制备方法,这一类材料鲜有报道。在这篇Account中,我们重点介绍了以聚离子液体(PIL)为主要成分的多孔聚合物膜作为软模板和牺牲模板,如何优化碳化工艺来制备孔径可精准调控的多功能杂原子掺杂多孔碳膜。同时,我们对杂原子掺杂多孔碳膜的未来发展前景做了展望。特别是,由我们提出并发展的“真空炭化制备多孔碳膜”策略有望为高性能碳材料的制备提供新的思路。



能否谈谈您选择Accounts of Materials Research的理由?
    我们非常荣幸能受邀投稿Accounts of Materials Research (《材料研究述评》) ,该期刊是上海科技大学与美国化学会出版社的第一次合作期刊,聚焦于前沿材料领域,旨在为读者提供高质量学术交流平台。我们非常乐意通过这个高水平平台,将我们对该领域的研究积累和见解分享给读者,希望为广大科研人员带来一些启发,鼓励读者进一步拓展该领域。
您理解中的Account 应该是什么样的?和一般的综述文章有何不同?
    AMR是一个将材料科学和工程以及各个领域高度交叉的学术交流平台,Account一般是针对特定前沿研究领域所发表的评论性综述文章,相比于基于一般综述性文章的杂志,AMR受邀作者通常聚焦于自己专长的研究领域,向读者介绍和展示该领域的背景以及研究思路。同时,为读者提出该领域的潜在问题和未来展望。所以,相比于其它综述期刊,AMR具有非常鲜明的特色,对研究者了解相关研究方向或者相关方向的课题组工作是十分友好的。
有其他想与读者分享的研究故事和花絮吗?
    研发多孔碳膜宏量制备技术具有重大的现实意义。针对高性能多孔碳膜制备工艺复杂等关键问题,王鸿研究员等一直以来致力于多孔碳膜的简易高效制备,最初尝试通过传统方法炭化聚离子液体多孔膜制备氮原子掺杂的多孔碳膜,并进一步研究氮原子掺杂多孔碳膜的各种基本性质和性能。但是传统碳化方法(惰性气体保护)无法得到大面积的完整多孔碳膜。通过优化碳化工艺,发现“真空炭化”聚离子液体多孔膜可以宏量地制备高度石墨化的(一些甚至具有类单晶结构的)氮掺杂多孔碳膜。进一步地,我们通过大量的实验结果证明,真空炭化方法是一种非常有效的制备杂原子掺杂多功能碳膜及碳纤维的普适策略。通过这篇Account,我们希望能够启发更多读者,为设计结构新颖的碳材料提供新的思路。
撰写这篇Account触发了团队对未来碳膜宏量制备的何种展望?
    这篇Account讲到了杂原子掺杂多孔碳膜的规模制备主要取决于软模版和碳化工艺的进展,其中软模板是个需要优先解决的问题。我们迄今采用的软模板是聚离子液体多孔膜,其本质上是一类新型的杂原子富集的聚电解质多孔膜,目前很难用传统工业多孔聚合物成膜法(例如热诱导相分离和非溶剂诱导的相分离)大规模制备。因此,在合成杂原子掺杂多孔碳膜的同时,我们重点研究和优化了聚电解质膜的制备。例如,基于绿色化学概念我们最近提出的水分子诱导聚离子液体均聚物相分离法(Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 17187-17191),为规模制备聚电解质多孔膜提供新策略。此外,如何改性传统的基于生物质的碳膜,优化其石墨化和杂原子掺杂程度,也是设计新型软模板的有效方法。

Advanced Heteroatom-Doped Porous Carbon Membranes Assisted by Poly(ionic liquid) Design and Engineering
Yucheng Wang, Yue Shao, Hong Wang*, and Jiayin Yuan*
原文链接:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.0c00010


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