中空碳材料因其獨特的空腔結構，高的比表面積及孔隙率等優點，在催化、吸附、儲能和生物醫學等領域有著廣泛的應用前景。但是，中空碳材料的殼壁往往會阻礙大分子擴散，使空腔失去作用，極大限制了中空碳材料的性能及應用范圍。近日，為了提高空腔的利用效率以及拓展中空碳材料的應用范圍，青島能源所王光輝研究員聯合浙江工業大學朱藝涵教授開發了一種聚乙二醇（PEG）分子輔助的策略合成單開口中空碳球（HCH），并進一步研究了其在有機染料分子吸附過程中的性能及空間限域效應，相關研究結果發表在Chemistry of Materials《材料化學》雜志上。
前期，王光輝研究員帶領的多孔催化材料研究組成功制備了兩種中空碳球納米反應器：PdCu雙金屬納米粒子封裝于空心碳球內部的納米反應器（PdCu@HCS）和負載于空心碳球外表面的納米反應器（PdCu/HCS）。通過在一系列液相加氫反應中的對比，發現空間限域作用有利于提高小分子（例如：苯乙烯）的加氫反應速率，而對于2-乙烯萘，由于殼壁的限制作用會使反應速率降低，對于分子尺寸更大的9-乙烯蒽，殼壁微孔的存在會限制其進入空腔進行加氫反應。（
Angew. Chem., Int. Ed., 2020, 59, 18374-18379）由此可見，中空碳殼層上的孔道尺寸對傳質有顯著的影響，對于與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儲等作用。
基于上述對中空材料的認識，研究人員利用PEG分子在高溫水熱過程中與水分子的氫鍵作用力減弱，疏水性增強，在微乳界面起到反向破乳劑的作用，使得微乳模板的穩定性降低，最終成功合成單開口結構。通過改變PEG分子的大小，還可以合成完整中空結構（HCS）以及半碗結構（HCB）的碳材料。通過對比研究表明，在吸附大分子染料（例如：剛果紅）的過程中，HCH較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）。這一結果進一步證明了HCH的空間限域效應，在吸附大分子過程中產生富集作用。
圖1 不同結構中空碳球及吸附強化過程
該論文第一作者是青島能源所的博士研究生于群，通訊作者是浙江工業大學的朱藝涵教授和青島能源所的王光輝研究員。該工作得到國家自然科學基金，中科院潔凈能源創新研究院合作基金和浙江省自然科學基金等項目的資助。
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
