Система пористых углеродных волокон может быть получена при использовании панциря краба в качестве шаблона. (Рисунок из J. Mater. Chem., 2010, DOI: 10.1039/b925776d)

Мезопористый углерод с однородными порами большого размера и большой площадью внутренней поверхности привлекают значительный интерес благодаря возможности применения в электрохимических двуслойных конденсаторах [electrochemical double layer capacitors (EDLCs)], системах для накопления водорода, разделения газов и в катализе. Известно, что физико-химические свойства таких материалов будут определяться размером пор, которые, в свою очередь, получают с использованием пористых твердых шаблонов, например – цеолитов или оксида кремния. Однако, после получения углеродного материала с необходимым размером пор цеолитные или кремнийоксидные шаблоны необходимо вытравливать фтороводородной кислотой, что усложняет процесс и приводит к дополнительным затратам на производство пористых углеродных материалов.

Исследовательская группа Йонг-Яо Ся (Yong-Yao Xia) из Университета Фудан продемонстрировала, что панцирь краба обладает хорошо распределенной системой мироскопических пор. Эта необычная структура позволила исследователям получить углеродные нановолокна, комбинируя шаблон, созданный из твердой оболочки краба с существующими методами темплатного синтеза пористых структур. Ся добавляет, что биологические шаблоны доступны, возобновляемы, отличаются сравнительно невысокой стоимостью и большей экологической безопасностью, чем шаблонные искусственные.

Обжиг крабового панциря на воздухе приводит к образованию пористого шаблона, состоящего главным образом из карбоната кальция. Добавка к системе мягкого полимерного шаблона и резолового прекурсора позволяет получить мезопористый углерод. Нагрев в атмосфере инертного газа позволяет удалить мягкий шаблон, шаблон из карбоната кальция удаляют действием соляной кислоты.

Полученный в результате темплатного синтеза материал состоит из мезопористого углеродного нановолокна (диаметр волокон – 70 нм, диаметр поры – 11 нм), волокна разделены пустотами в 70 нм, расстояние между системами нановолокон составляет около 1 мкм. Уникальная структура углеродного материала способствует более глубокому проникновению в него электролита и транспорту электролита, материал отличается хорошей проводимостью, большой площадью поверхности (1270 м2/г); материал характеризуется большим количеством дефектов, которые могут способствовать равномерному распределению наночастиц металла в порах углеродного материала – такое распределение способствует синергетическому воздействию наночастиц и углеродного материала.

Строение нового мезопористого материала идеально подходит для запаса заряда или адсорбции/десорбции ионов или как материал для создания электродного материала для конденсаторов повышенной емкости или систем для закрепления платинового/палладиевого катализатора для применения в топливных ячейках.
В настоящее время исследователи из Университета Фудан исследуют как возможность применения панциря краба для получения других пористых материалов, так и ищут альтернативные шаблоны биологического происхождения.

.chemport.ru