中空碳材料因其独特的空腔结构，高的比表面积及孔隙率等优点，在催化、吸附、储能和生物医学等领域有着广泛的应用前景。但是，中空碳材料的壳壁往往会阻碍大分子扩散，使空腔失去作用，极大限制了中空碳材料的性能及应用范围。近日，为了提高空腔的利用效率以及拓展中空碳材料的应用范围，王光辉研究员联合浙江工业大学朱艺涵教授开发了一种聚乙二醇（PEG）分子辅助的策略合成单开口中空碳球（HCH），并进一步研究了其在有机染料分子吸附过程中的性能及空间限域效应，相关研究结果发表在Chemistry of Materials《材料化学》杂志上。
前期，王光辉研究员带领的多孔催化材料研究组成功制备了两种中空碳球纳米反应器：PdCu双金属纳米粒子封装于空心碳球内部的纳米反应器（PdCu@HCS）和负载于空心碳球外表面的纳米反应器（PdCu/HCS）。通过在一系列液相加氢反应中的对比，发现空间限域作用有利于提高小分子（例如：苯乙烯）的加氢反应速率，而对于2-乙烯萘，由于壳壁的限制作用会使反应速率降低，对于分子尺寸更大的9-乙烯蒽，壳壁微孔的存在会限制其进入空腔进行加氢反应。（Angew. Chem., Int. Ed.,2020, 59, 18374-18379）由此可见，中空碳壳层上的孔道尺寸对传质有显著的影响，对于与孔尺寸相近或更大的底物分子，空腔并不能起到富集或者存储等作用。
基于上述对中空材料的认识，研究人员利用PEG分子在高温水热过程中与水分子的氢键作用力减弱，疏水性增强，在微乳界面起到反向破乳剂的作用，使得微乳模板的稳定性降低，最终成功合成单开口结构。通过改变PEG分子的大小，还可以合成完整中空结构（HCS）以及半碗结构（HCB）的碳材料。通过对比研究表明，在吸附大分子染料（例如：刚果红）的过程中，HCH较HCS和HCB具有更快的吸附速率和更高的吸附容量（HCH的吸附容量是HCS的4倍）。这一结果进一步证明了HCH的空间限域效应，在吸附大分子过程中产生富集作用。
图1 不同结构中空碳球及吸附强化过程
该论文第一作者是青岛能源所的博士研究生于群，通讯作者是浙江工业大学的朱艺涵教授和青岛能源所的王光辉研究员。该工作得到国家自然科学基金，中科院洁净能源创新研究院合作基金和浙江省自然科学基金等项目的资助。（文/图 于群）
Q. Yu, D.-C. Li, Z. Tian, C. Zhu, C. Jiao, Q. Zhang, Y. Chen, Y. Zhu,* H. Jiang, J. Liu, G.-H. Wang*. Single-hole Hollow Carbon Nanospheres via Polyethylene Glycol-assisted Emulsion-templating Strategy for Intensified Liquid-phase Adsorption. Chem. Mater., 2022, DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c04419
