本报记者 陈 曦 通讯员 张 华
2月28日，科技日报记者从天津大学获悉，该校“英才计划”特聘研究员吉科猛团队以金属盐和有机胶晶为原料模板，开发出了一种以石墨烯型碳、金属纳米晶等为基本功能单元构筑而成的高结晶度、高稳定性、高导电性三维有序大孔框架材料（以下简称OMGCs）。相关研究成果发表在国际综合性期刊《细胞报告物质科学》上。
制备流程既简单又高效
有序纳米多孔功能材料，例如微孔的沸石和介孔的二氧化硅分子筛、金属—有机框架材料和共价有机框架材料，具有发达的孔道结构、较大的比表面积、较小的材料密度等优异的物理化学特性，在吸附、分离、传感器、离子交换、负载催化、药物输送、电磁防护、环境治理、电化学能量存储和转化等诸多领域都有着广泛应用。然而，孔径分布窄（小于50纳米）、结晶度低、热稳定性和导电性差等缺陷却在很大程度上限制了当前这些功能材料在更大范围的应用。
为了解决这一难题，吉科猛团队研发了OMGCs。OMGCs的整个制备工艺流程十分简单高效。只需将浸渍有金属盐凝胶的胶晶模板置于氩气或氮气等保护气中进行一步焙烧，即可制得块体或粉体形状的OMGCs产物。焙烧时间可以短至几分钟，焙烧温度更是可以低至300—400摄氏度，远低于以目前催化工艺制备石墨烯型碳所需的近千摄氏度高温。
“OMGCs之所以能够在如此低的温度下形成，可以用一种特别的基于金属盐晶面的‘原子浇铸’机制进行解释。”吉科猛说，当所使用的金属盐具有足够大的晶格间距时，构成胶晶模板的高分子聚合物就能够在其发生玻璃化转变时，借助其碳原子而整齐地吸附在金属盐的这些晶面上，在其达到热解温度后便可以释放这些碳原子从而形成目标石墨烯型碳。
也正是由于低温段所形成的石墨烯型碳对结构的稳固作用，OMGCs才得以形成最终的高度规整、有序的蜂巢形貌。
可应用于多个领域
通过上述制备技术，只需对焙烧温度、焙烧时间、胶晶模板的微球尺寸、金属盐的种类等进行简单调整，便可实现对OMGCs的灵活调控。所制得的OMGCs不仅具有精致可控的层级纳米多孔结构，还具有丰富可调的纳米晶物质组成。
“之前也有不少关于三维有序多孔炭材料的研究报道，但是可以发现它们基本为非晶态或者石墨化程度非常低，而OMGCs的创制就像是把土坯房升级成了钢筋混凝土构造，其功能性因此也大大增强。”吉科猛进一步介绍，“比如，在电化学储能应用方面，将基于硝酸镍金属盐制备的OMGCs用作锂离子电池负极时，即使不使用额外的导电剂与集流体，其仍可展现出3倍于当下商用石墨负极（理论比容量：372毫安时/克）的超高比容量以及几十倍快的充电速率，具有非常好的应用前景。”
不同制备条件下获得的OMGCs还呈现出了黄、绿、蓝等不同的结构色彩。基于这一特别的光子晶体特征，该种材料还可以用作光子产业的基础材料，同时在光学涂层、柔性显示、机械传感、防伪材料、集成光学元件、光子晶体光纤等相关领域也具有一定的应用前景。
