纳米科学：合成的微孔3D石墨烯类碳

Zeolites的纳米多孔体系是合成三维（3D）石墨烯结构的理想模板，但它们合成所需的高温导致反应非选择性地发生。来自IBS纳米材料和碳材料中心的团队通过在沸石孔中嵌入镧离子（La3+）（一种银白色金属元素）来降低碳化所需的温度。

十多年前发现的石墨烯，一种碳的同素异形体，已经引发了无数的研究，试图释放其巨大的潜力。沸石，石油化学工业中常用的微孔固体催化剂，最近在材料科学领域引起了人们的关注，作为碳合成的模板。每个单独的晶体都以其独特的1纳米（nm）尺寸的孔结构而着称，这种结构有利于碳纳米管在沸石内的适应。在纸面上，这些纳米多孔体系是合成三维（3D）石墨烯结构的理想模板，但是沸石孔太小而不能容纳通常用于碳合成的大分子化合物，如聚芳族和糠醇。像乙烯和乙炔这样的小分子可以用作碳源，以在沸石孔内实现成功的碳化，但是它的成本很高。合成所需的高温导致反应在沸石的外表面以及内部孔壁上非选择性地发生，

来自IBS纳米材料和碳材料中心的团队用一种新颖的方法解决了这个难题。第一作者KIMKyoungsoo博士解释说：“沸石模板碳合成已经存在了很长时间，但温度问题阻碍了许多科学家提取其全部潜力。在这里，我们的团队试图通过嵌入镧离子（La3+）找到答案。），一种银白色金属元素，在沸石孔中。这降低了乙烯或乙炔碳化所需的温度。石墨烯样sp2碳结构可以在沸石模板内选择性地形成，外表面没有碳沉积。除去沸石模板，碳骨架的导电率比无定形介孔碳高两个数量级，这是一个非常惊人的结果。这种基于镧离子的高效合成策略使得在直径小于1nm的孔中形成碳骨架，与中孔模板一样容易再现，因此提供了合成具有与沸石孔拓扑相对应的各种拓扑结构的碳纳米结构的一般方法。，例如FAU，EMT，beta，LTL，MFI和LTA。此外，所有合成都可以很容易地扩大，这对于实际应用非常重要-电池，燃料储存和其他沸石状催化剂载体。“因此，提供了合成具有对应于沸石孔拓扑的各种拓扑结构的碳纳米结构的一般方法，例如FAU，EMT，β，LTL，MFI和LTA。此外，所有合成都可以很容易地扩大，这对于实际应用非常重要-电池，燃料储存和其他沸石状催化剂载体。“因此，提供了合成具有对应于沸石孔拓扑的各种拓扑结构的碳纳米结构的一般方法，例如FAU，EMT，β，LTL，MFI和LTA。此外，所有合成都可以很容易地扩大，这对于实际应用非常重要-电池，燃料储存和其他沸石状催化剂载体。

IBS团队开始利用La3+离子进行实验。KIM博士阐明了为什么这种银白色元素对团队有益，“La3+离子在碳化工艺条件下是不可还原的，因此它们可以留在沸石孔内，而不是以还原金属颗粒的形式移动到外部沸石表面在孔隙内，它们可以稳定乙烯和中间缩聚，在沸石中形成碳骨架。

为了验证这一假设，研究小组比较了含有La3+的Y型沸石（LaY）样品中的碳沉积量与许多其他样品如NaY和HY的比较。实验结果表明，所有LaY，NaY和HY沸石样品在800℃下都显示出快速的碳沉积。然而，随着温度降低，不同离子形式的沸石之间似乎存在显着差异。在600℃下，LaY沸石仍然具有碳沉积模板的活性。相反，NaY和HY都几乎完全失去了碳沉积功能。

根据他们在“自然”杂志上发表的论文，结果强调了镧对碳化的催化作用。通过制造具有3D周期性纳米多孔结构的石墨烯，它承诺广泛的有用应用，例如电池和催化剂，但由于缺乏有效的合成策略，这些应用尚未成功。通过在降低的温度下利用孔选择性碳填充，可以容易地扩大合成以用于需要大量碳的研究;特别是高导电性，这是电池生产中非常受欢迎的方面。