第一作者：Haiyan Mao，Jing Tang
通訊作者：Jeffrey A. Reimer，崔屹
通訊單位：美國加州大學伯克利分校，美國斯坦福大學
研究亮點：
1. 采用先進的NMR技術，從分子層面上，揭示了氣體分子與分級納米多孔碳的相互作用機理，發現了在分級孔中的分子擴散機制和氣體分子的位置；發現了氣體分子首先吸附到中孔中，然后擴散到微孔的過程。
2. 在分級納米多孔碳中發現了Schroeder’s Paradox現象。
3. 具有Murray’s law 多尺度分級納米多孔，展示了對CO2超高的吸附性能。
研究背景
揮發性有機化合物（VOC）和二氧化碳（CO2）是常見的空氣污染物和主要人為溫室氣體源。合理設計可再生、多維尺度的微觀材料用于吸附VOC和CO2成為功能材料研究的熱點課題。源自生物質的納米多孔碳由于其經濟高效的制備方法，具有可持續性，高表面積和微孔占主導的結構成為理想的吸附材料。然而，目前已開發的分級納米孔碳的合成方法，存在缺乏結構控制，合成條件苛刻和微孔堵塞等問題。從植物的分級結構得到啟發，根據Murry’s law, 采用化學活化結合微波快速加熱的方法，合成了具有微孔與中孔相互連接，以微孔為主、中孔為輔的多尺度分級納米多孔碳。該結構中微孔起到吸附VOC和CO2分子的作用，而中孔則為分子的擴散提供了通道。目前，普遍應用的氣相色譜-質譜聯用儀和比表面積吸附儀僅能測試吸附量、穿透曲線和吸附等溫線，然而對于吸附分子與碳孔之間的相互作用機理和擴散機理還比較缺乏。研究者采用了固態核磁共振（NMR）從分子層面上，探索了VOC和CO2分子與納米分級多孔碳的相互作用機制和分子在客體中的擴散機理。
成果簡介
分級納米多孔碳（Hierarchical nanoporous carbons，HNC）具有不同尺寸的孔隙結構在氣體分離和CO2捕獲領域具有廣闊的應用。然而，關于分級結構的調節以及分級納米孔碳內氣體分子和碳相互作用的分子機制仍然存在關鍵問題。美國斯坦福大學崔屹教授和美國加州大學伯克利分校Jeffrey A. Reimer教授，基于默里定律 (Murray’s Law), 采用化學和微波加熱相結合的方法，以木材為原料，合成了多尺度結構的HNC。通過固體核磁共振（NMR）分子尺度上揭示了揮發性有害氣體和CO2在分級納米多孔碳的相互作用機制。該研究促進了先進的NMR技術在吸附、環境和能源領域的分子尺度研究。
圖1. 液態和氣態分子在分級納米多孔碳上的相互作用機理。
要點1：采用NMR更加快速的觀察吸附等溫線
在VOC吸附體系中，其NMR化學位移均顯示出來自納米分級多孔碳的環狀共軛體系的環電流效應。對比液相和氣相VOC的譜圖，其吸附量和化學位移存在的差別，研究者觀察到了明顯的Schroeder’s Paradox。通過對氣體吸附儀和NMR譜圖的結果對比，發現其吸附等溫線基本上保持一致，因而NMR提供了更加快速觀察吸附等溫線的方法。
圖2. 液相VOC在分級納米多孔碳上NMR圖譜。
圖3. NMR和氣體吸附儀吸附量對比。
要點2：從分子層面揭示氣體分子與分級納米多孔碳的相互作用機理
在氣相吸附的體系中，從分子層面上，揭示了氣體分子與分級納米多孔碳的相互作用機理，發現了在分級孔中的分子擴散機制和氣體分子的位置；發現了氣體分子首先吸附到中孔中，然后擴散到微孔的過程。另外，二氧化碳的物理吸附量達到4.3 mmol g–1，其吸附量可以跟MOF等材料相媲美，因此，其顯示了在二氧化碳吸附等溫室效應領域的應用前景。
圖4. 分級納米多孔碳中的Schroeder’s Paradox現象機理分析。
參考文獻
HaiyanMao, et al. Revealing Molecular Mechanisms in Hierarchical Nanoporous Carbon via Nuclear Magnetic Resonance. Matter. 2020.
DOI: 10.1016/j.matt.2020.09.024
https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.09.024
