通过分子结构控制细孔径的碳
概要京都大学研究生院工学研究科的生越友树教授(兼金泽大学纳米生命科学研究所特聘教授)、东北大学材料科学高等研究所的西原洋知教授(兼任多元物质科学研究所)、冈山大学不同领域融合前沿研究核心的仁科勇太研究教授等的研究小组开发了仅通过烧制就可以控制细孔径的多孔碳。 迄今为止，多孔碳主要是通过气体和药品破坏碳骨架形成细孔的活化方法合成的。 但是，在活化法中，存在材料制备时碳骨架的结构变化剧烈，无法保留原来的碳骨架，分子水平上的细孔控制困难，为了再现性良好地得到多孔性碳，需要手艺精湛的技术等问题。本研究合理设计了碳源的有机分子，仅通过煅烧成功地得到了孔径在分子水平上得到控制的多孔碳。 采用这种方法，为了提高碳化效率，不仅可以再现性良好地得到保持原有结构的碳，还可以通过分子设计在分子水平上控制细孔径。 确认了得到的多孔质碳可以导入适合细孔径的金属离子，作为钠离子电池发挥作用。 将来有望应用于只有特定尺寸的基质发生反应的催化剂。该成果将于2021年5月21日在英国《国家研究》国际学术杂志《通信科学》上刊登。
通过分子结构控制细孔径的碳概要京都大学研究生院工学研究科的生越友树教授(兼金泽大学纳米生命科学研究所特聘教授)、东北大学材料科学高等研究所的西原洋知教授(兼任多元物质科学研究所)、冈山大学不同领域融合前沿研究核心的仁科勇太研究教授等的研究小组开发了仅通过烧制就可以控制细孔径的多孔碳。 迄今为止，多孔碳主要是通过气体和药品破坏碳骨架形成细孔的活化方法合成的。 但是，在活化法中，存在材料制备时碳骨架的结构变化剧烈，无法保留原来的碳骨架，分子水平上的细孔控制困难，为了再现性良好地得到多孔性碳，需要手艺精湛的技术等问题。本研究合理设计了碳源的有机分子，仅通过煅烧成功地得到了孔径在分子水平上得到控制的多孔碳。 采用这种方法，为了提高碳化效率，不仅可以再现性良好地得到保持原有结构的碳，还可以通过分子设计在分子水平上控制细孔径。 确认了得到的多孔质碳可以导入适合细孔径的金属离子，作为钠离子电池发挥作用。 将来有望应用于只有特定尺寸的基质发生反应的催化剂。
该成果将于2021年5月21日在英国国家研究中心的国际学术杂志《通信科学》上刊登。
通过烧制图1设计的有机分子，可以得到具有与分子尺寸对应的细孔径的多孔性碳。
1 .背景
以活性炭为代表的多孔碳是指具有微小空间(细孔)的碳材料。 由于主要的构成元素为c (碳)，因此具有耐化学药品性·热稳定性·传导性等优异的特征。 另外因为是多孔性的，所以重量轻，作为在细孔中捕捉各种物质的吸附材料被应用。 迄今为止的多孔碳的主要合成方法有:1)利用气体和药品破坏碳骨架形成细孔的活化法(注1 )，2 )向铸模导入碳源，碳化后除铸模外得到铸模相反结构的多孔碳的铸模法(注2 )。 但是，在这些方法中，1 )材料制备时碳骨架的结构变化剧烈，不残留原来的有机分子骨架，2 )难以在纳米水平以下的埃水平(分子水平)控制细孔，3 )为了用铸模法除去铸模，需要成本和能量。4 )存在着为了得到同样的多孔性碳，需要工匠技艺高超的技术这样的问题。
2 .研究方法 成果
在以往的制法中，酚醛树脂(沥青系)和聚丙烯腈( PAN系)等聚合物被用作碳源。 但是，聚合物的合成方法和碳化过程很复杂，如果制作者发生变化，得到的多孔碳的质量也会经常发生不同。 本研究通过合理设计碳源的有机分子骨架，成功地获得了在惰性气体环境下仅在900度烧制有机分子，细孔径受分子水平控制的多孔碳。 具体而言，在耐热性优异的苯环部位三维排列的分子骨架上，以导入了热聚合性乙炔基的分子1、分子2 (图1 )为碳源，在惰性气氛下进行烧成，从而以超过80%的高碳化效率，反映了原分子骨架大小的分子水平的细孔径 4个苯环三维排列的分子1烧成的碳1具有4.05Å的细孔径，而8个苯环三维排列的分子2烧成的碳2具有更大的4.40Å的细孔径。
通过烧制图1设计的有机分子，可以得到具有与分子尺寸对应的细孔径的多孔性碳。
另外，由分子1得到的碳1显示出了比用于碳电极的一般材料更好的导电性。 另外，由于具有分子水平的受控细孔径，因此可知其作为钠离子电池的负极材料(注3 )发挥作用。 这是因为细孔径的大小( 4.05Å )适合钠离子的大小( 3.8Å )，钠离子可以通过碳的细孔(图2 )。 与没有足够大小细孔的石墨相比，其容量显示为2倍以上，由此可见本研究合成的多孔碳具有分子水平的细孔径是很重要的。
图2碳1由于具有适合钠离子尺寸的细孔，因此容量为石墨的2倍以上。
在本研究开发的多孔碳合成法中，1 )由于是仅烧成的简单方法，所以谁都可以得到再现性良好且具有分子水平细孔径的多孔碳，2 )由于碳化效率高达80%，因此保持了原来结构的多孔碳可以在分子水平上控制直径，3 )不需要像铸模法那样在烧成后除去铸模，因此具有可以以廉价、低能量合成多孔碳的优点。
3 .波及效果
今后的安排表明了用本方法得到的具有分子级细孔径的多孔碳具有高传导性，在反映分子级细孔径的负极电极材料中的应用。 期待应用于与分子水平的细孔径对应的基质选择性催化剂等。4 .关于研究项目本研究是在科学技术振兴机构JST-CREST(JPMJCR18R3 )、文部科学省科学研究费资助事业( JP19H00909 )的支持下实施的。<用语解说>活化法(注1 ) :将碳质原料变为多孔质材料的反应操作。 方法有药品活化和气体活化两种。 在药品赋活中，将强碱或碱金属盐添加到碳源或低温烧成炭中使其浸透，切断空气，在500~800℃的温度下碳化，从而得到具有细孔(直径数10~200Å )的多孔性碳。 在气体活化中发生了碳化当原料和气体(水蒸气、二氧化碳、空气等氧化性气体等)在700~1000℃的温度下反应时，通过碳的气化反应生成细孔(直径数Å~200Å )，得到多孔性碳。铸型法(注2 ) :向铸型的控制空间内导入碳源，进行碳化后，通过去除铸型得到结构与铸型相反的多孔性碳的方法。 在该方法中，由于需要模具，最终必须去除模具，因此需要花费成本能量。钠离子电池(注3 ) :利用资源丰富的钠的钠离子电池，有望代替使用稀有元素锂离子的锂离子电池。 但是，作为锂离子电池负极使用的石墨中，由于层间狭窄，钠往来不充分，因此人们希望开发替代的碳材料。<研究者(生越友树)的评论>以往的多孔性碳合成法在形成碳时会因气体或药品破坏碳骨架而形成细孔，因此为了得到同样的碳，需要工匠技艺高超的技术。 在本研究中，只通过烧制有机分子，就能够得到具有分子水平细孔径的多孔碳。 任何人都能再现性良好地形成多孔性碳，非常有用。 这是迄今为止从工业多孔碳合成法向化学合成新转换的研究，期待着该领域的进一步发展。
<论文标题和作者>
标题:将可控制的组件与其他建筑结构连接，以实现可控制的组件尺寸由碳化引起的埃水平上控制细孔的碳材料的创制)
作者: Tomoki Ogoshi，* Yuma Sakatsume，Katsuto Onishi，Rui Takahashi，HirotomoNishihara，Yuta Nishina，Benot d.l刊登杂志:通信制度DOI:10.1038/s42004-021-00515-0DOI:10.1038/s42004-021-00515-0