有序納米多孔功能材料，例如微孔的沸石和介孔的二氧化硅分子篩、金屬-有機框架材料（MOFs）和共價有機框架材料（COFs），由于其發(fā)達的孔道結(jié)構(gòu)、較大的比表面積、較小的材料密度等優(yōu)異的物理化學特性，在吸附、分離、傳感器、離子交換、負載催化、藥物輸送、電磁防護、環(huán)境治理、電化學能量存儲和轉(zhuǎn)化等諸多領域都有著廣泛應用。然而，孔徑分布窄（< 50納米）、結(jié)晶度低、熱穩(wěn)定性和導電性差等缺陷卻在很大程度上限制了當前這些功能材料在更大范圍的應用。天津大學“英才計劃”特聘研究員吉科猛團隊以金屬鹽和有機膠晶為原料模板，開發(fā)出了一種以石墨烯型碳、金屬納米晶等為基本功能單元構(gòu)筑而成的高結(jié)晶度、高導電性三維有序大孔框架材料（簡稱OMGCs）。相關研究成果《有序大孔石墨烯碳質(zhì)框架材料及其低溫共犧牲模板合成機理》發(fā)表在細胞出版社（Cell Press）旗下綜合性期刊《細胞報告物質(zhì)科學》上。

OMGCs晶體碳質(zhì)材料的整個制備工藝流程十分簡單高效。只需將浸漬有金屬鹽凝膠的膠晶模板置于氬氣或氮氣等保護氣中進行一步焙燒，即可制得塊體或粉體形狀的OMGCs產(chǎn)物。焙燒時間可以短至幾分鐘，焙燒溫度更是可以低至300——400 oC，遠低于以目前催化工藝制備石墨烯碳所需的近千度高溫。“OMGCs材料之所以能夠在如此低的溫度下形成，可以用一種特別的基于金屬鹽晶面的‘原子澆鑄’機制進行解釋。當所使用的金屬鹽具有足夠大的晶格間距時，構(gòu)成膠晶模板的高分子聚合物就能夠在其發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變時，借助其碳原子而部分地釘扎在金屬鹽的這些晶面上，這樣在其達到熱解溫度后便可以釋放這些碳原子而形成目標的石墨烯型碳。” 吉科猛研究員說道。也正是由于低溫段所形成石墨烯碳對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固作用，OMGCs材料（以及之前研究所報導的金屬氧化物）才得以形成最終的高度規(guī)整、有序的蜂巢形貌。

通過上述制備技術，只需對焙燒溫度、焙燒時間、膠晶模板的微球尺寸、金屬鹽的種類等進行簡單調(diào)整，便可實現(xiàn)對OMGCs材料的靈活調(diào)控。所制得的晶體碳質(zhì)材料不僅具有精致可控的層級納米多孔結(jié)構(gòu)，還具有豐富可調(diào)的納米晶物質(zhì)組成。而基于石墨烯型碳優(yōu)異的導電性、導熱性、穩(wěn)定性以及較低的密度和良好的柔韌度等本征特性，這種將三維雙連續(xù)石墨烯碳與單分散金屬納米晶等功能基元進行的協(xié)同集成，更是可以極大地保證OMGCs晶體碳質(zhì)材料在不同高新科技領域中的獨特應用優(yōu)勢。“之前也有不少關于三維有序多孔炭材料的研究報導，但是可以發(fā)現(xiàn)它們基本為非晶態(tài)或者石墨化程度非常低，而OMGCs材料的創(chuàng)制就像是把土坯房升級成了鋼筋混凝土構(gòu)造，其功能性因此也大大增強。”吉科猛研究員進一步介紹說。

不同制備條件下獲得的OMGCs材料還呈現(xiàn)出了黃、綠、藍等不同的結(jié)構(gòu)彩色。基于這一特別的光子晶體特征，該種材料還可以用作光子產(chǎn)業(yè)的基礎材料，同時在光學涂層、柔性顯示、機械傳感、防偽材料、集成光學元件、光子晶體光纖等相關領域也具有一定的應用前景。

OMGCs新材料技術的提出不僅豐富了有序多孔功能材料家族與新型碳材料家族，還為石墨烯型碳質(zhì)晶體的低溫、宏量制備提供了一種新策略、新范式，其很可能進一步衍化成一族重要的功能材料，并有望助力多種產(chǎn)業(yè)技術的轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級。該研究工作獲得了天津市科技計劃項目、國家自然科學基金、天津大學“北洋學者”計劃、日本學術振興會（JSPS）特別研究員科研基金以及天津大學國家儲能技術產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺的支持。