JACS赵东元团队纳米微乳液精确介孔碳球的孔尺寸和架构

　　尽管介孔碳纳米球具有如此优异特性和应用前景，但其孔隙大小和架构的精确调控非常困难。特别是大孔（>20 nm）介孔碳球的合成具有巨大的挑战性。人们发展了许多方法想实现这一目标。

　　有代表性的是以大分子量表面活性剂为模板的软模板法（例如PS-b-PS），通过调控表面活性剂疏水段(PS段)的长度来实现大孔碳球的合成。这种方法可以实现孔隙的连续调控，但是表面活性剂的合成过程复杂，而且孔隙调控有限。

　　另外一个有代表性的方法是以SiO2纳米球为模板的硬模板法，通过调控SiO2球的大小以及选择合适的前驱物来实现介孔碳球孔隙的调节。这种方法可以得到大孔的纳米碳球，但是合成过程同样非常复杂，耗时长，而且在后期去除硬模板的过程中应用的强腐蚀性溶液具有危险性，不适合大规模合成。

　　其他的合成方法，例如气泡辅助法，分相法和多表面剂法所得到的碳材料在颗粒尺寸，形貌控制，孔隙均匀性等方面均存在不足。精确调控介孔碳纳米球的孔隙大小和架构，实现大孔介孔碳纳米球的合成至今还未实现，探究普适性制备超大孔介孔碳球的方法显得十分必要。

　　近日，赵东元院士团队在JACS上发文，报道了该课题组发展的一种纳米微乳液组装的普适性方法，用于合成具有可调孔径和架构的功能介孔碳纳米球。

　　作者以商业化的Pluronic F127为模板，以多巴胺（DA）为碳源和氮源，以1,3,5-三甲苯（TMB）为调节剂，在水和乙醇的体系中合成一系列到具有可调孔径的氮掺杂碳纳米球。在合成的过程中，作者发现有机小分子（TMB）不仅对于孔隙的大小有着重要的作用，而且对于软模板（F127）和前驱物（DA）所形成的界面有巨大的影响。因此，通过调控TMB的用量可以有效控制胶束的组装方式，从而达到调控碳球孔隙和架构的目的，分别得到了光滑碳球，高尔夫形碳球，多空腔形碳球，以及树突形碳球。所合成的碳球的孔隙可以在5-37纳米范围连续调控。其中，树突形碳球具有超大的孔径（~37 nm），较小的粒径（~128 nm），高的比表面积（~635 m2 g-1），和丰富的氮含量（~6.8 wt%）。得益于这些独特的物理化学性能，其在碱性电解液中显示出卓越的氧还原性能（ORR），包括高的电流密度，优异的循环稳定性和抗甲醇性能。这种简单，巧妙的纳米微乳液合成策略对于合成新颖的纳米结构提供了新思路。

　　该工作得到了复旦大学化学系、聚合物分子工程国家重点实验室、上海市分子催化与功能材料重点实验室、国家重点研发项目、国家自然科学基金委、上海市科学技术委员会、上海市启明星项目的大力支持。