新型复杂形态碳化物的制备及应用研究进展

张翰超

（吉林长玉特陶新材料技术股份有限公司，吉林 长春 130000）

具有较低电负性元素的碳化合物称为“碳化物”，从元素的属性划分为金属碳化物和非金属碳化物。碳化物成键类型有：类盐（如 CaC2），共价（如 SiC），间质（如TiC）和具有更复杂结构的碳化物（Fe3C）。碳化物都具有较高的熔点，大多数碳化物都是碳与金属在高温下反应得到的。如今，以碳化物陶瓷的机械性能为基础，发挥其功能作用的效果日益显著，碳化物不仅应用在传统耐火材料中，而且用在更先进的领域，如催化载体，过滤器，辐射燃烧器，生物医学或电子设备等。为达到作为结构载体，承载活性物质的目的，需要增加其比表面积以追求更充分的环境接触效果。因此，近几年复杂形态碳化物结构的优异特性及应用前景引起国内外研究学者的广泛关注。文章主要综述了大孔类细胞状碳化物和纳米孔碳化物两种材料的合成方法和典型案例，希望能够对复杂形态碳化物的深入研究有一定参考作用。

1 类细胞形态碳化物材料应用及研究

类细胞形态的结构具有多样性的特征，同种或异种材质通过不同的作用力，由结构单元在二维或三维尺度上形成宏观结构，例如纤维结构，空心球结构等。木头、海绵以及人体肺部等均为自然存在的细胞类形态结构，因此可以认为类细胞形态碳化物是一种具有仿生学特性的材料。区别于传统的“多孔材料”，类细胞形态结构材料的孔隙度通常非常大（可达到400%以上）并且具有可被表征的“胞体”，即由柱或薄壁包围的空间或是特殊几何形状的边界。设计类细胞状碳化物，有几方面是需要重点考虑的，包括：（1）材料整体的气孔率。（2）“胞体”的大小、分布、连接方式及开闭气孔的比例。（3）材料的结构强度。由于制备方法和工艺参数的不同，类细胞状碳化物形态各异，但基本均能通过上述3个方面进行表征。值得注意的是，由于类细胞状碳化物的研究工作并不充分，因此建立有效的测试、评价方法和机制是非常有必要的。

2 纳米多孔类形态碳化物材料应用及研究

除类胞碳化物，纳米多孔类形态碳化物也受到很广泛的关注。合成方法孔径小于100nm多孔碳化物的理论研究和工艺探索日渐多样。尽管传统的理论和应用化学联合会（IUPAC）建议将材料分类为微孔（2～50nm）和中孔材料（小于100nm）。但是，这个观点并没有在世界范围内受到广泛得接受及认可。目前为止，大多数材料只涉及到以粉末而不是整体材料的形式合成的。这样的纳米孔材料的致密体呈现双层或多层次结构，以避免大规模应用程序中的传输限制。

采用硬模板概念（也称为纳米铸造）可以从宏观尺度制备纳米结构。具体方法是，将固体模板充当一个“铸造模板”或作为前驱体。如图1所示。

图1 硬模板制备纳米多孔类形态碳化物的典型工艺

如此一来，模板呈现出的周期结构可以被保存下来，这种周期性结构又被称为“有序介孔”。目前被最广泛研究的这类材料是硅和碳以及其化合物，如有序介孔硅（如SBA-15和KIT-6）和有序介孔碳（如CMK-3和CMK-8）。有序纳米多孔材料可以分为不同的孔隙排序类别，2d-六角形（如 SBA-15），（CMK-3）和 3d 立方（如KIT-6，CMK-8）是最常见的结构。

这些结构的制备之所以具有挑战性，主要是因为原因有三：（1）前驱体体积收缩无法维持有序结构。（2）合成中间体的挥发难以保持模板的结构。（3）纳米铸造过程中的热处理。另外值得注意的是，硬模板方法通常是需要完全渗透模板孔与前驱体。如果液体采用前驱体，可直接渗透。然而，许多前驱体是固体的，因此必须其他途径渗入或溶解在适当的溶剂中，这里文章不做过多介绍。

图2 碳化硼基材料SEM照片

如图2所示，Portehault等人报道了采用石墨化介孔氮化碳作为消失模板与硼-叔丁基胺络合物为硼源，制作了超高比表面积纳米多孔形态碳化硼。碳和硼之间的取代反应以及C3N4的供氮功能形成模板的有序介孔结构。研究发现，热解温度对于高表面积是至关重要，因为材料的比表面积达到1560m2/g时在1673K时发生裂解，而在36m2/g时在823K发生裂解。微孔率高是有助于消除氮化碳残留物的主要原因。

3 结语

综上所述，新型复杂形态碳化物材料在研发层面上已经有了飞速的发展，在实际使用过程中，由于其极高的表面积和较高的机械性能以及物理化学稳定性，类细胞态和纳米多孔形态碳化物材料，与周围环境有更好的交互能力，使其在催化、储能、过滤等应用领域均有较大的研究价值。文章综述了复杂形态碳化物材料的合成方法和典型案例。重点综述了细胞状碳化物和纳米孔碳化物两种，通过文章，读者能够对当代复杂形态碳化物的深度利用有一定的了解，希望本行业发展有一定帮助。