新聞網(wǎng)訊（通訊員 吳疆鄂）4月18日，國(guó)際高分子領(lǐng)域的頂級(jí)期刊《聚合物科學(xué)進(jìn)展》（Progress in Polymer Science）在線刊發(fā)了我校化學(xué)與化工學(xué)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(jìn)展》（RecentProgress in Controlled Carbonization of (Waste) Polymers）。華中科技大學(xué)為論文第一完成單位，龔江研究員為第一作者，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所唐濤研究員和陳學(xué)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(yīng)研究及其應(yīng)用的示意圖
聚合物的可控碳化是指聚合物經(jīng)過可控裂解等方法轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)可控的碳材料的過程（圖1）。聚合物的可控碳化反應(yīng)研究具有極其重要的意義，歸納起來有三個(gè)方面：第一，相比傳統(tǒng)的小分子碳?xì)浠衔?，聚合物作為碳源時(shí)碳原子和摻雜原子總量易于控制，這是制備層數(shù)可控的石墨烯和含摻雜原子的碳材料的關(guān)鍵（Nature2010,468, 549）。第二，聚合物的可控碳化反應(yīng)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(yīng)用于電器、汽車和裝修等諸多領(lǐng)域。然而，大多數(shù)聚合物是易燃的，從而在一定程度上限制了它們?cè)谀承┓矫娴拇罅渴褂?。促進(jìn)聚合物在燃燒的時(shí)候自身的碳化一方面減少聚合物降解產(chǎn)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(nèi)部的燃燒。第三，聚合物可控碳化反應(yīng)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(yán)重威脅了環(huán)境，還浪費(fèi)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(zhuǎn)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(yīng)及其應(yīng)用
基于此，作者總結(jié)了近二十年聚合物碳化反應(yīng)研究進(jìn)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(xué)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(fā)展歷程和優(yōu)缺點(diǎn)。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(yīng)在提高聚合物阻燃性能中的應(yīng)用，重點(diǎn)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(fù)載鎳和Ni2O3等）。降解催化劑首先促進(jìn)聚合物降解生成小分子碳?xì)浠衔锖头紵N化合物，成碳催化劑則高效催化降解產(chǎn)物碳化。之后，總結(jié)了聚合物碳化反應(yīng)在制備結(jié)構(gòu)可控的碳材料中的應(yīng)用。制備的碳材料包括零維碳材料（碳納米量子點(diǎn)、納米碳球、中空碳球和核殼結(jié)構(gòu)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(guī)整介孔碳和碳泡沫）。分析了聚合物的組成和分子鏈結(jié)構(gòu)、催化劑的尺寸和種類、晶格氧等對(duì)聚合物降解反應(yīng)和碳化反應(yīng)的影響規(guī)律，探討了如何控制聚合物的降解反應(yīng)速率和碳化反應(yīng)速率及其比值來提高聚合物碳化反應(yīng)效率、優(yōu)化碳材料的生長(zhǎng)，分析了不同形貌的碳材料的生長(zhǎng)機(jī)理和關(guān)鍵環(huán)節(jié)（圖5）。
圖3Krzysztof Matyjaszewski教授課題組提出的共聚物模板碳化法實(shí)現(xiàn)聚丙烯腈（PAN）可控碳化制備碳材料（參考文獻(xiàn)：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(jié)構(gòu)和化學(xué)組成對(duì)碳材料性能起到了決定性的作用（Science 2011, 332, 1537）。作者進(jìn)一步分析了如何調(diào)控聚合物碳化產(chǎn)物的物理化學(xué)性質(zhì)，包括形貌、孔結(jié)構(gòu)和摻雜元素。此外，碳材料在許多領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，比如能源存儲(chǔ)和環(huán)境污染治理（Science 2012, 335, 1326）。作者總結(jié)了聚合物可控碳化產(chǎn)物在超級(jí)電容器、鋰離子電池、吸附與分離、存儲(chǔ)氫氣、光催化降解有機(jī)物等領(lǐng)域中的應(yīng)用。最后，作者展望了聚合物可控碳化反應(yīng)研究的未來發(fā)展方向和應(yīng)用前景。歸納起來有四點(diǎn)：第一，進(jìn)一步提高碳材料的產(chǎn)率。廢棄聚合物中往往含有填料、添加劑等雜質(zhì)，會(huì)影響聚合物的降解以及碳材料的生長(zhǎng)。因此，開發(fā)新型催化劑或者新的聚合物碳化方法是一個(gè)重要的發(fā)展方向。第二，進(jìn)一步改善材料的微觀結(jié)構(gòu)、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(tuán)的碳材料。第三，進(jìn)一步降低聚合物碳化溫度，提高碳保護(hù)層的強(qiáng)度，從而提高聚合物阻燃性能。第四，進(jìn)一步探索（廢棄）聚合物基碳材料的大規(guī)應(yīng)用，比如廢水處理、土壤修復(fù)和海水淡化。
圖4組合催化碳化中，聚合物組成與分子鏈結(jié)構(gòu)、催化劑的尺寸和種類、晶格氧等對(duì)聚合物碳化反應(yīng)的影響（參考文獻(xiàn)：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(xué)人才引進(jìn)基金資助。論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079670018304088
