沸石模板碳：一种理想的钠离子电池负极材料及其大规模制备

近年来，纳米多孔碳材料作为吸附剂、催化剂载体、电储能材料等成为研究热点之一。特别是定制尺寸、均匀孔径的纳米碳的合成将多孔结构优化到理想性能而备受关注。制备纳米多孔碳材料的有效方法之一是使用多孔模板，例如利用具有均一有序微孔结构和高比表面积的沸石分子筛来制备沸石模板碳（ZTC）。

ZTC是一种将沸石作为牺牲模板合成的有序微孔碳材料，具有高比表面积（2000～4000m²/g）和大微孔体积（1.0～1.8cm³/g）的特点，还具有良好的化学改性适应性，是一种理想的钠离子电池负极材料。

与孔隙网络随机的活性炭材料不同，由于其制备过程中将沸石作为模板牺牲，因此通过使用合适的沸石模板，制备出的ZTC材料往往具有均匀的微孔尺寸、发达的微孔和有序的孔结构。

碳引入沸石纳米通道制备ZTC的方法大致有3种：浸渍碳化法、化学气相沉积法以及将二者结合的两步法。

浸渍碳化法将有机单体直接引入沸石通道中，经聚合形成聚合物/沸石复合材料。沸石催化可以将大多数有机化合物转化为聚合物之后再转化为碳质物质。这种方法可以使用多种单体，包括不易聚合的有机物单体。但聚合步骤繁琐、实验耗时过长。

化学气相沉积法（CVD）向沸石中引入足够多的碳以获得ZTC。碳沉积使沸石孔入口的尺寸变小，应选择小分子的CVD碳源气体，如乙烯、丙烯和丁烯等。每一种CVD碳源气体都有其热分解的温度，高于气体热分解温度时，即使没有催化剂，也会使其在气相中转化为碳。此情况下，碳不仅沉积在分子筛颗粒内部，同时还沉积在分子筛颗粒的外部，外部的沉积不利于CVD碳源气体进入沸石纳米通道的内部，影响其内部连续碳骨架的形成，不利于分子筛有序结构的保持。因此，CVD温度要低于分解温度才能避免此类情况的发生。但低温下，分子筛纳米通道内生成的多环芳香族化合物之间不能形成牢固的连接，只有高于分解温度时，多环芳香族化合物才可凝聚形成连续的碳骨架，即使在分子筛被刻蚀后仍能保持分子筛内的有序结构。所以，需要在低于分解温度时先进行CVD，之后在惰性气体气氛中进一步高温热处理来制备理想的有序孔结构ZTC。对于大规模生产，CVD方法简单高效。

参考资料：

1. 李岩松等，《Y型沸石为模板化学气相沉积法制备模板碳的研究》
2. 周锡山，《沸石模板碳吸附挥发性有机物特性及机理研究》

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