Koolstofmaterialen (CM's) hebben een groot potentieel in de industrie vanwege hun hoge elektrische geleidbaarheid, goede chemische stabiliteit, en unieke microstructuur. traditioneel, CM's werden bereid door de carbonisatie van natuurlijke producten met lage dampdruk of synthetische polymeren. Maar ze hebben een aantal duidelijke nadelen, zoals moeilijkheden bij het afstemmen van de microstructuren en chemische samenstellingen van de verkregen producten, of gecompliceerde en langzame polymerisatieprocessen. Tot nu, het was een grote uitdaging om een ​​goedkope, zeer controleerbare methode voor het op grote schaal bereiden van CM met gewenste bestanddelen en structuren.

Een onderzoeksteam onder leiding van Prof. Yu Shuhong en Prof. Liang Haiwei van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China (USTC) stelt een eenvoudige methode voor om een ​​reeks functionele CM's te bereiden uit kleine organische moleculen (SOM's) door een overgangsmetaal-geassisteerd carbonisatie proces. Dit werk is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang getiteld "Transition metal-assisted carbonisatie van kleine organische moleculen naar functionele koolstofmaterialen."

Kleine organische moleculen (SOM's) als voorlopers voor het bereiden van CM's hebben een aantal duidelijke voordelen, zoals algemene beschikbaarheid, relatief lage kosten, en diverse elementsoorten met verschillende inhoud. Eerdere inspanningen voor de transformatie van SOM's in CM's waren gebaseerd op harde syntheseomstandigheden, bijv. pyrolyse in afgesloten reactoren, chemische dampafzetting, of op zoutsmelt gebaseerde ionotherme carbonisatie, vanwege de hoge vluchtigheid van SOM's bij geëvalueerde temperaturen. Dit behandelen, de onderzoeksgroep onder leiding van prof. Yu Shuhong en prof. Liang Haiwei ontwikkelde een methode voor door overgangsmetaal ondersteunde carbonisatie van SOM's. De overgangsmetalen kunnen de preferentiële vorming van thermisch stabiele intermediaire polymere structuren katalyseren en zo de directe sublimatie van SOM's tijdens het verwarmingsproces vermijden, die de succesvolle bereiding van CM's met een hoge koolstofopbrengst garandeert. Onderzoekers hebben ontdekt dat 15 SOM's en 9 TMS's kunnen worden gebruikt als koolstofprecursoren en katalysatoren, respectievelijk, voor het opstellen van CM's. Daarnaast, twee harde sjablonen kunnen in de methode worden gebruikt om de porositeit van het verkregen CMS te verbeteren. Onderzoeksresultaten geven aan dat de methode een eenvoudige, effectief, en veelzijdige methode om CM's voor te bereiden.

De voorbereide CM vertoonde drie verschillende prominente microstructuren (inclusief bamboe-achtige meerwandige koolstofnanobuisjes, micrometer-sized nanosheets en onregelmatige deeltjes) die sterk afhankelijk waren van de moleculaire structuren van SOM's. Daarnaast, de CM's hadden een hoog specifiek oppervlak, grote poriënvolumes, overvloedige hetero-atomen evenals zeer grafitische structuren. Als resultaat, de CM vertoonde een aanzienlijk toepassingspotentieel voor heterogene katalyse, b.v. selectieve oxidatie van ethylbenzeen en hydrogenering van nitrobenzeen; en elektrokatalyse, bijv. waterstofevolutiereactie en zuurstofreductiereactie. Dit werk opent een nieuw venster voor de synthese van CM's met gewenste bestanddelen en structuren.