新聞網訊（通訊員 吳疆鄂）4月18日，國際高分子領域的頂級期刊《聚合物科學進展》（Progress in Polymer Science）在線刊發了我校化學與化工學院龔江研究員課題組的前瞻性綜述《（廢棄）聚合物可控碳化研究進展》（RecentProgress in Controlled Carbonization of (Waste) Polymers）。華中科技大學為論文第一完成單位，龔江研究員為第一作者，中國科學院長春應用化學研究所唐濤研究員和陳學成副研究員為通訊作者。在綜述中，作者首次提出了“聚合物可控碳化”的概念。
圖1聚合物可控碳化反應研究及其應用的示意圖
聚合物的可控碳化是指聚合物經過可控裂解等方法轉化為結構可控的碳材料的過程（圖1）。聚合物的可控碳化反應研究具有極其重要的意義，歸納起來有三個方面：第一，相比傳統的小分子碳氫化合物，聚合物作為碳源時碳原子和摻雜原子總量易于控制，這是制備層數可控的石墨烯和含摻雜原子的碳材料的關鍵（Nature2010,468, 549）。第二，聚合物的可控碳化反應為提高聚合物的阻燃性能提供了新策略。目前聚合物材料被廣泛應用于電器、汽車和裝修等諸多領域。然而，大多數聚合物是易燃的，從而在一定程度上限制了它們在某些方面的大量使用。促進聚合物在燃燒的時候自身的碳化一方面減少聚合物降解產物的量，從而降低可燃物的量，另一方面生成難燃的碳層，有利于隔絕空氣、減緩聚合物基體內部的燃燒。第三，聚合物可控碳化反應為廢棄聚合物的回收再利用制備高附加值的碳材料提供了新思路。廢棄聚合物，比如廢棄飲料瓶和塑料包裝材料，不僅嚴重威脅了環境，還浪費了大量資源（Science2015,347,6223）。聚合物往往含有較高含量的碳元素，將大量低廉的廢棄聚合物轉化成高附加值的碳材料則為城市廢棄聚合物的再利用提供新方法。
圖2聚合物可控碳化反應及其應用
基于此，作者總結了近二十年聚合物碳化反應研究進展（圖2）。首先介紹了十二種聚合物碳化的方法，包括裂解/燃燒法、水熱碳化法、化學氣相沉積法、硬模板法、高溫高壓法、裂解-燃燒法、裂解-汽化法、組合催化法、快速碳化法、活性模板碳化法和共聚物模板碳化法（圖3），并且分析了每種方法的發展歷程和優缺點。后四種是可控程度最好的聚合物碳化方法。
接著，討論了聚合物可控碳化反應在提高聚合物阻燃性能中的應用，重點介紹了組合催化法（圖4）。組合催化是指催化劑中包括降解催化劑（固體酸、鹵化物等）和成碳催化劑（負載鎳和Ni2O3等）。降解催化劑首先促進聚合物降解生成小分子碳氫化合物和芳烴化合物，成碳催化劑則高效催化降解產物碳化。之后，總結了聚合物碳化反應在制備結構可控的碳材料中的應用。制備的碳材料包括零維碳材料（碳納米量子點、納米碳球、中空碳球和核殼結構碳球等）、一維碳材料（碳納米纖維、碳納米管、杯疊碳納米管和多孔杯疊碳納米管等）、二維碳材料（石墨烯、碳納米薄片、多孔碳納米薄片等）和三維碳材料（整體式多孔碳、規整介孔碳和碳泡沫）。分析了聚合物的組成和分子鏈結構、催化劑的尺寸和種類、晶格氧等對聚合物降解反應和碳化反應的影響規律，探討了如何控制聚合物的降解反應速率和碳化反應速率及其比值來提高聚合物碳化反應效率、優化碳材料的生長，分析了不同形貌的碳材料的生長機理和關鍵環節（圖5）。
圖3Krzysztof Matyjaszewski教授課題組提出的共聚物模板碳化法實現聚丙烯腈（PAN）可控碳化制備碳材料（參考文獻：J. Am. Chem. Soc.2002,124, 10632;J. Am. Chem. Soc.2005,127, 6918;Angew. Chem. Int. Ed.2014,53, 3957;Macromolecules2017,50,2759;Prog. Polym. Sci.2019,92, 89;Adv. Mater.2019,31, 1804626）
碳材料的形貌、孔結構和化學組成對碳材料性能起到了決定性的作用（Science 2011, 332, 1537）。作者進一步分析了如何調控聚合物碳化產物的物理化學性質，包括形貌、孔結構和摻雜元素。此外，碳材料在許多領域有著重要應用，比如能源存儲和環境污染治理（Science 2012, 335, 1326）。作者總結了聚合物可控碳化產物在超級電容器、鋰離子電池、吸附與分離、存儲氫氣、光催化降解有機物等領域中的應用。最后，作者展望了聚合物可控碳化反應研究的未來發展方向和應用前景。歸納起來有四點：第一，進一步提高碳材料的產率。廢棄聚合物中往往含有填料、添加劑等雜質，會影響聚合物的降解以及碳材料的生長。因此，開發新型催化劑或者新的聚合物碳化方法是一個重要的發展方向。第二，進一步改善材料的微觀結構、提升材料的性能。這就要求制備合適比表面積、孔徑分布、摻雜原子和表面官能團的碳材料。第三，進一步降低聚合物碳化溫度，提高碳保護層的強度，從而提高聚合物阻燃性能。第四，進一步探索（廢棄）聚合物基碳材料的大規應用，比如廢水處理、土壤修復和海水淡化。
圖4組合催化碳化中，聚合物組成與分子鏈結構、催化劑的尺寸和種類、晶格氧等對聚合物碳化反應的影響（參考文獻：Angew. Chem. Int. Ed.2005,44, 1517;Chem. Mater.2005,17, 2799;Chem. Eur. J.2007,13, 3234;Carbon2007,45, 449;Polymer2009,50, 6252;J. Phys. Chem. C2010,114, 13226;Appl. Catal. B: Environ.2012,117-118, 185;Appl. Catal. B: Environ.2014,147, 592;Compos. Sci. Technol.2018,164, 82）
該工作得到華中科技大學人才引進基金資助。論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079670018304088
