“它们”是微小的球形、片状或者纤维状的颗粒，而且“它们”主要都是由化学元素碳组成的。这里说到的“它们”就是由来自德国波茨坦马克斯-普朗克胶体和界面研究所的科学家们利用一种新方法制备出来的新型碳纳米结构。研究者们已经证实这种纳米结构具有高效的催化特性：例如，它们能够减少电解水时所需要消耗的能量，这是一种非常有用的性质，可以用来贮存可再生能源。此外，由于这种纳米结构具有高孔隙度，研究者们相信它们在未来的应用中可以被用来贮存气体，例如二氧化碳等。

如果你将匹萨置于烤炉中太久，匹萨会慢慢变黑，在这个“烧焦碳化”的过程中，匹萨里的有机成分则会逐渐转化为高含碳量的物质。虽然这个过程在厨房里非常令人讨厌，但是在一些工业工艺上，碳化作用往往是人们想要取得的效果。例如，可以利用碳化作用将煤炭转换为焦炭以提高碳的含量；工业烟尘、汽车轮胎上的炭黑等都含有高含量的碳，这些都是由可控的不完全碳化作用导致的。这些年，科学家们一直在研究富碳纳米材料的合成与制备，因为这种颗粒是高度多孔结构，具有非常大的比表面积，在一些情形下还能作为导电体使用，因此它们具有许多的潜在应用领域。使用常见的技术只能得到球形结构的颗粒，然而通过使用一种新方法，来自马克斯-普朗克胶体和界面研究所的研究者们成功制备出了除球形以外的片状和纤维状纳米结构。

起始剂决定颗粒的结构

研究者们一开始使用了多达十种不同的有机溶剂，每一种最后都会碳化。“我们发现通过选择合适的起始剂，能够很好的控制颗粒的空间结构”，来自马克斯-普朗克胶体和界面研究所Carbon and Energy小组的带头人Tim Fellinger说。他们的研究小组不仅制备了各种各样的碳纳米结构，还发现了一种有选择性的将除碳以外的元素引进纳米结构中的方法。例如，溶剂中含有氮元素或者硫元素，如吡啶和二甲亚砜等溶剂，结果会使得最后制备的纳米结构中含有高达15%的氮元素或硫元素。通过引进一些合适的添加剂，研究者们甚至可以制备出包含金属，如镍，钴和锌等的纳米复合材料。

镍-碳纳米复合材料可作为水解催化剂

纳米结构材料的产品往往具有许多非常有用的特性。由于Tim Fellinger的研究小组也在研究贮能技术，因此他们研究了碳纳米结构在电解水时的催化特性。在这个研究中，镍-碳纳米复合材料显示出了和传统催化剂同等的催化效率，但是相比传统使用的铱基催化剂，镍-碳纳米复合材料的制备成本更低。Tim Fellinger说道：“水解过程将会需要这种催化剂，能够以氢的形式短期贮存多余的电能”。

令研究者们印象更为深刻的是它们的纳米结构的多孔性以及这些碳颗粒如何很好的吸附气体。有些甚至比商业化的木炭具有更佳的吸附效果，Tim Fellinger指出，和木炭不同，在制备这些纳米结构的碳化过程中没有采取任何措施以提高其吸附性能。这使得它们在某些领域将具有非常大的应用潜力，例如在下一代的电池（如锂-硫电池）研究中，这种纳米结构材料将会非常有用。

制备多样化结构的新型方法

制备多样化且具有有效性质的纳米结构有两个关键步骤，这两点都属于尚未尝试过的领域。首先，在液态时研究者们在高温下迅速使盐“碳化熔融”，他们用的是一种不常见的反应环境，熔点温度高于500℃的盐的熔融环境，例如液态氯化锌。其次，研究者们碳化液态的起始剂。以前通常都是固体被碳化，因为高温环境会使有机液体挥发掉，因此，研究者们通常仅仅是往里注入一些廉价的现成溶液。 
    
“很显然，液体分子在蒸发之前只要接触到熔盐就会离解，”Tim Fellinger说道，“这种游离物质随后在极短的几纳秒时间内会结合形成大型的富碳分子”。氯化锌的熔融物就是用来稳定这个过程的，因为盐的熔融物是热的离子流体，化学家们给这种环境下的合成方法取了一个名字——离子热合成法。这种工艺方法在无机化学里已经被证实是十分有效的，来自马克斯-普朗克胶体和界面研究所的研究者们现在利用这种工艺作为一种碳化方法。在反应结束后，研究者们只需要在冷却后的混合物中加入稀盐酸，混合物中的盐会溶解在稀盐酸中，而纳米碳结构以一种黑色、蓬松的粉末状形式存在，则会因为不溶于盐酸留到最后，能够被轻易的筛选出来。使用扫描电子显微镜可以观察到制备出的呈现各种各样的纳米结构。例如，乙腈、苯甲腈和二甲亚砜得到了和传统工业烟尘中一样的球形纳米结构，然而，在熔盐中滴加乙二醇或者丙三醇则能得到片状结构。其他的液体，如乙醇、丙酮和吡啶等最后得到分支的相互连接的纤维状结构。得到的球形碳颗粒直径在10纳米左右，而纤维状结构能够达到120纳米的长度。

盐熔体充当润滑剂和清洁剂

虽然这个过程的机理尚不明确，Tim Fellinger认为这种颗粒结构的光谱也许是可信的：“我们认为熔融盐在里面起着一种润滑剂的作用，能够提高有机碎片的流动性，这种流动性反过来会导致有更多的方式去组成纳米结构，这也是最后的结构具有多样性的一个原因”。化学家和纳米结构专家认为可能还有另外一个原因：“盐能够减少表面张力”。这意味着碳碎片不再需要以球形方式结合以减少表面积，就像在添加了清洁剂之后，水在固体表面就不再形成球形液滴状了。研究者们还认为是盐离子造成了纳米碳结构的多孔性，因为低的表面张力，在合成过程中盐和碳能够有很大的接触面，而在加入盐酸将盐分离出后，在纳米结构上就会留下许多孔洞。

研究者们现在有许多想法值得去探索。考虑到大量的无机盐种类和有机溶剂种类能够通过这种新技术结合起来，将会有更多的自定义复合材料和不一样的特性及应用。该项目的研究人员接下来将准备试验其它的盐-溶剂组合，此外他们还计划重点研究片状和纤维状的碳纳米结构相比球形结构在实际应用中所具有的独特优势。



来源：材料与测试
译者：vince
译自phys.org
 
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