I materiali in carbonio (CM) hanno un grande potenziale nell'industria grazie alla loro elevata conduttività elettrica, buona stabilità chimica, e microstruttura unica. Tradizionalmente, I CM sono stati preparati dalla carbonizzazione di prodotti naturali a bassa pressione di vapore o polimeri sintetici. Ma soffrono di alcuni svantaggi distinti, quali difficoltà nel personalizzare le microstrutture e le composizioni chimiche dei prodotti ottenuti, o processi di polimerizzazione complicati e lenti. Fino ad ora, è stata una sfida significativa per sviluppare un basso costo, metodo altamente controllabile per preparare CM con i costituenti e le strutture desiderati su larga scala.

Un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Yu Shuhong e dal Prof. Liang Haiwei dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC) propone un metodo semplice per preparare una serie di CM funzionali da piccole molecole organiche (SOM) mediante un metallo di transizione assistito processo di carbonizzazione. Questo lavoro è stato pubblicato in Progressi scientifici intitolato "Carbonizzazione assistita da metalli di transizione di piccole molecole organiche verso materiali di carbonio funzionali".

Piccole molecole organiche (SOM) come precursori per la preparazione di CM hanno alcuni vantaggi distinti, come la disponibilità comune, costo relativamente basso, e diverse specie di elementi con vari contenuti. Gli sforzi precedenti sulla trasformazione dei SOM in CM si basavano su dure condizioni di sintesi, per esempio. pirolisi in reattori sigillati, deposizione chimica da vapore, o carbonizzazione ionotermica a base di sale fuso, a causa dell'elevata volatilità dei SOM alle temperature valutate. Per affrontare questo, il gruppo di ricerca guidato dal Prof. Yu Shuhong e dal Prof. Liang Haiwei ha sviluppato un metodo di carbonizzazione dei SOM assistita da metalli di transizione. I metalli di transizione possono catalizzare la formazione preferenziale di strutture polimeriche intermedie termicamente stabili e quindi evitare la sublimazione diretta dei SOM durante il processo di riscaldamento, che garantisce la riuscita preparazione di CM ad alto rendimento di carbonio. I ricercatori hanno scoperto che 15 SOM e 9 TMS possono essere impiegati come precursori e catalizzatori del carbonio, rispettivamente, per la preparazione dei CM. Oltretutto, due modelli rigidi possono essere utilizzati nel metodo per migliorare la porosità del CMS ottenuto. I risultati della ricerca indicano che il metodo è semplice, efficace, e metodo versatile per preparare i CM.

Il CM preparato ha mostrato tre diverse microstrutture prominenti (inclusi nanotubi di carbonio a parete multipla simili a bambù, nanofogli di dimensioni micrometriche e particelle irregolari) che erano fortemente dipendenti dalle strutture molecolari dei SOM. Oltretutto, i CM possedevano elevate superfici specifiche, grandi volumi dei pori, eteroatomi abbondanti e strutture altamente grafitiche. Di conseguenza, il CM ha mostrato un potenziale applicativo significativo per la catalisi eterogenea, ad es. ossidazione selettiva dell'etilbenzene e idrogenazione del nitrobenzene; ed elettrocatalisi, per esempio. reazione di evoluzione dell'idrogeno e reazione di riduzione dell'ossigeno. Questo lavoro apre una nuova finestra per la sintesi di CM con i costituenti e le strutture desiderati.