Kolmaterial (CM) har stor potential inom industrin på grund av sin höga elektriska ledningsförmåga, god kemisk stabilitet, och unik mikrostruktur. Traditionellt, CM framställdes genom karbonisering av naturliga produkter med lågt ångtryck eller syntetiska polymerer. Men de lider av några distinkta nackdelar, som svårigheter att skräddarsy mikrostrukturerna och kemiska sammansättningar av de erhållna produkterna, eller komplicerade och långsamma polymerisationsprocesser. Tills nu, det har varit en betydande utmaning att utveckla en lågkostnads-, mycket kontrollerbar metod för att framställa CM med önskade beståndsdelar och strukturer i stor skala.

En forskargrupp ledd av professor Yu Shuhong och professor Liang Haiwei från University of Science and Technology of China (USTC) föreslår en enkel metod för att framställa en serie funktionella CM från små organiska molekyler (SOM) med hjälp av en övergångsmetall. karboniseringsprocessen. Detta arbete publicerades i Vetenskapens framsteg med titeln "Övergångsmetall-assisterad karbonisering av små organiska molekyler mot funktionella kolmaterial."

Små organiska molekyler (SOM) som prekursorer för framställning av CM har några distinkta fördelar, såsom gemensam tillgänglighet, relativt låg kostnad, och olika elementarter med olika innehåll. Tidigare ansträngningar för att omvandla SOM till CM förlitade sig på hårda syntesförhållanden, t.ex. pyrolys i slutna reaktorer, kemisk ångavsättning, eller saltsmältbaserad jonotermisk karbonisering, på grund av den höga volatiliteten hos SOM vid utvärderade temperaturer. För att ta itu med detta, forskargruppen ledd av Prof. Yu Shuhong och Prof. Liang Haiwei utvecklade en metod för övergångsmetall-assisterad karbonisering av SOM. Övergångsmetallerna kan katalysera den föredragna bildningen av termiskt stabila mellanliggande polymera strukturer och därmed undvika direkt sublimering av SOM under uppvärmningsprocessen, vilket garanterar framgångsrik beredning av CM med högt kolutbyte. Forskare har funnit att 15 SOM och 9 TMS kan användas som kolprekursorer och katalysatorer, respektive, för att förbereda CM. Förutom, två hårda mallar kan användas i metoden för att förbättra porositeten hos erhållet CMS. Forskningsresultat visar att metoden är en enkel, effektiv, och mångsidig metod för att förbereda CM.

Den förberedda CM uppvisade tre olika framträdande mikrostrukturer (inklusive bambuliknande flerväggiga kolnanorör, mikrometerstora nanoblad och oregelbundna partiklar) som var starkt beroende av SOMs molekylära strukturer. Förutom, CM hade höga specifika ytareor, stora porvolymer, rikligt med heteroatomer såväl som höggradigt grafitiska strukturer. Som ett resultat, CM visade betydande tillämpningspotential för heterogen katalys—t.ex. selektiv oxidation av etylbensen och hydrering av nitrobensen; och elektrokatalys, t.ex. väteutvecklingsreaktion och syrereduktionsreaktion. Detta arbete öppnar ett nytt fönster för syntes av CM med önskade beståndsdelar och strukturer.