先上圖。浙江大學(xué)化學(xué)系王勇教授課題組在水熱炭材料可控合成領(lǐng)域的文章報(bào)道了一種以P123和油酸鈉為軟模板，使用木糖為炭源的水熱碳化的方法，合成出具有花瓶形貌的炭材料。
1. 生物質(zhì)炭材料可控合成的難點(diǎn) 軟模板法被廣泛應(yīng)用于中空炭球的合成。其中以酚醛樹脂為炭源，以表面活性劑為軟模板可以合成均一的聚合物球或者中空球，經(jīng)過(guò)高溫碳化可以得到炭球或者中空炭球。考慮到生物質(zhì)原料的可持續(xù)性，很多生物質(zhì)也被用作炭源來(lái)制備功能化的炭材料（BDCs）。為了滿足不同應(yīng)用的需要，需要開發(fā)新型的方法來(lái)控制BDCs的形貌，孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)。模板法被視為控制炭材料形貌的有效方法。其中，使用硬模板方法可以有效的合成出具有球狀，管狀，或中空球型的BDCs。但是，硬模板法受限于模板的選擇，且需要比較繁瑣的后處理過(guò)程來(lái)去除模板。相對(duì)于硬模板法，基于表面活性劑的軟模板法具有步驟簡(jiǎn)單，且更加綠色等特點(diǎn)，因?yàn)槠涫褂玫?strong style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">表面活性劑能夠在高溫下進(jìn)行分解，因此在高溫碳化的過(guò)程中可以很容易的除去。生物質(zhì)原料一般需要較高的溫度才能進(jìn)行聚合，在這種條件下表面活性劑形成的膠束不穩(wěn)定。因此很難使用軟模板法來(lái)控制BDCs形貌和結(jié)構(gòu)。2006年，從事生物質(zhì)炭材料制備的Titirici1利用F127為軟模板，選擇水熱炭化溫度較低的果糖為炭源，在120 oC水熱條件下，成功合成出具有有序介孔結(jié)構(gòu)的炭材料；之后，有研究人員2探究了硫酸對(duì)于增強(qiáng)前軀體與表面活性劑相互作用，同樣在120 oC下得到高收率的有序介孔炭。但是，使用軟模板實(shí)現(xiàn)BDCs進(jìn)一步的可控合成卻遲遲沒(méi)有進(jìn)展。在這篇JACs論文中，作者使用兩種不同類型的表面活性劑（P123:三嵌段表面活性劑，兩端親油(EO)，中間親水(PO)和油酸鈉：陰離子表面活性劑）作為模板，使用木糖為碳源，合成出只有一端開口的花瓶狀水熱炭微球。圖2. 從圖中可以，看出，合成出的花瓶炭球具有均一的大小（500nm），瓶口大小為200 nm。通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)條件，作者闡述了這種不尋常形貌的形成原因。作者將“花瓶炭球”的生長(zhǎng)機(jī)理分為三個(gè)階段：納米乳液的形成，開口的形成和瓶口的形成。在第一階段，分散在木糖溶液的表面活性劑在水熱的開始階段（pH降低，溫度逐漸升高）的時(shí)候能形成混合膠束，然后形成納米乳液。（step1,油酸分布在中心，而P123分布在表面）；隨著溫度的不斷升高，由于與表面活性劑有相互作用，木糖的水解產(chǎn)物在納米乳液的表面發(fā)生縮聚，反應(yīng)抑制了納米乳液的進(jìn)一步團(tuán)聚；與此同時(shí)，P123的PO段開始變得更加的疏水，從而導(dǎo)致納米乳液的溶脹效應(yīng)；體積的膨脹增加納米乳液的表面應(yīng)力，從而致使低聚的殼破裂（開口的形成）；最后，由于五碳糖的水熱中間體的部分疏水性質(zhì)，會(huì)擴(kuò)散到濃度相對(duì)較低的核中，從而將表面活性劑排出，部分中間體會(huì)在空腔內(nèi)壁聚合，從而導(dǎo)致腔體的半徑減小，排出的表面活性劑在破口處形成新的界面，作為新的軟模板，中間體在界面進(jìn)行聚合，從而形成瓶口。（水熱時(shí)間延長(zhǎng)，瓶口會(huì)長(zhǎng)長(zhǎng)）這種生長(zhǎng)機(jī)理適用于多種嵌段表面活性劑和陰離子表面活性劑組合。圖4. 不同表面活性劑組合都能得到類似開口結(jié)構(gòu)。（a. SDS and P123; b. SDS and F123; c. sodium stearate and P123; d. sodium laurate and P123）最后，讓我們靜靜的欣賞一下其生長(zhǎng)過(guò)程圖片，感受一下化學(xué)的神奇。圖5. 隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，炭瓶瓶徑增長(zhǎng)，空腔減小
參考文獻(xiàn)：
1. Titirici, M.-M.; Antonietti, M.; Thomas, A., Chem. Mater. 2006, 18, 3808.
2. Fan Xu, Yiqing Chen, Minghui Tang, Haiyan Wang, Jiang Deng, and Yong Wang*, ACS Sustainable Chem. Eng., 2016, 4，4473–4479.
3. Chunhong Chen, Haiyan Wang, Chuanlong Han, Jiang Deng, Jing Wang, Mingming Li, Minghui Tang, Haiyan Jin, and Yong Wang* J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.6b10841
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