直接炭化类沸石咪唑骨架材料（ZIF-8）制备纳米多孔碳应用于超级电容器
具有高表面积的纳米多孔碳可以通过直接碳化可商购的沸石咪唑酯框架（ZIF-8）没有任何外的碳源。得到的纳米多孔碳显示出高电化学性在酸性含水电解质中的电容。
具有高表面积的多孔碳已经成为迄今为止研究的最重要和传统的多孔材料之一。1它们已被广泛应用于许多实际应用中，从吸附剂和催化剂载体到通过电池，燃料电池和超级电容器的电极材料，药物输送载体。高度多孔的碳可以通过几种方法实现，例如热解随后有机前体的物理或化学活化，聚合物气凝胶的碳化，以及用硬模板的纳米铸造。2尤其是，纳米铸造是一种强有力的工具，它使用沸石和介孔二氧化硅分别作为牺牲固体模板来制造有序的微孔和中孔碳，尽管这对于大规模生产而言稍微复杂且不利。3
作为一类新型的多孔材料，金属-有机骨架（MOFs）或多孔配位聚合物（PCPs）受到特别关注，因为它们可以通过过渡金属簇和有机分子的自组装来模块化合成，导致设计框架结构和功能多样化。 4受其高表面积的激励和大孔体积，MOF-5，Al-PCP和ZIF-8等几种MOFs最近被证明是构建微孔碳的有前景的模板。5-7在这个合成方案中，主要的碳前体，通常是糠醇被浸渍并随后在MOF的微孔内聚合。在热碳化过程中，多孔碳网络的形成和MOFs的分解同时发生; 因此，MOFs同时作为牺牲模板和次级碳前体。
考虑到MOF或PCP中碳含量较高，我们和其他团队最近报道，通过Al-PCP和MOF-5的直接碳化也可以实现高度纳米级的碳，而不需要额外的碳前体。8这种方法比传统的纳米浇铸技术具有几个步骤的优越性，因为这是一个简单且单步骤的过程。然而，这样报道的碳材料具有宽的孔径分布，碳化条件没有被详细研究。在此我们报告（ZIF-8）直接碳化制备的纳米多孔碳作为单一的前体，而没有任何额外的碳源（图1）。所获得的纳米多孔碳作为超级电容器电极显示出优异的电化学性能。由锌和甲基咪唑构成的ZIF-8具有方钠石结在不同温度（600-1000℃）下直接碳化。炭化后，得到黑色样品用HF溶液彻底洗涤以除去任何残留的无机组分，如通过元素分析所证实的（详见ESIw）。 所获得的纳米多孔碳表示为Z-n，其中n是碳化温度。
如SEM观察到的（图1和图S1，ESIw），获得的纳米多孔碳具有典型的具有方钠石结构的晶体形态，类似于母体ZIF-8，表明单独的ZIF-8的碳含量足以形成 碳材料。然而，当碳化温度升高到1000℃（即Z-1000）时，样品部分收缩和变形。 放大的SEM图像显示碳化和HF洗涤后纳米多孔碳样品的表面变得粗糙。 与通过直接碳化Al-PCP，8a和MOF-5,8b制备的纳米多孔碳相反，没有观察到中孔，大孔或大裂纹，这可能是由于ZIF-8的方钠石晶体结构。
通过拉曼光谱研究碳的局部结构。所得到的碳样品的拉曼光谱如图S2（ESIw）所示，分别显示出以1355cm-1和1585cm-1为中心的D和G带，其来自于无序碳结构和振动模式，两个碳原子在单个石墨片中的相反方向。
通过氮吸附测量证实所得碳样品中纳米孔的存在。如图2a所示，样品显示出典型的I型等温线，在相对低压（P / P 0 ﹤ 0.15）时有明显的吸收，而在相对高压（P / P 0gt; 0.9）时有轻微的吸收，表明它们是完全的具有一些大孔的微孔材料可能在颗粒之间形成（即颗粒间空隙）。然而，Z-600似乎是一种无孔碳。有趣的是，与此相反，在600℃（即没有酸洗）的碳化样品表现出显着的氮吸收（图S3，ESIw），具有790平方米/克的表观Brunauer-Emmett-Teller（BET）表面积。这些结果表明，在600℃下的热处理不足以将ZIF-8碳化成多孔碳。因此，通过酸洗除去无机残留物后，多孔结构严重崩溃。热重分析和差热分析（TG-DTA）的ZIF-8进一步给我们一个洞察碳化过程（图S4，ESIw）。尽管TG重量的降低开始于约500℃，但在623℃观察到吸热DTA峰。因此，在600℃的碳化温度下，部分有机连接体热分解并开始碳化，但碳网络不能很好地发展，从而不形成多孔碳框架。
所分析的碳材料的孔尺寸总结在表1中。所获得的碳的BET表面积随着碳化温度的增加而增加，从520到1110m2g-1。它们的微孔体积通过t-plot方法计算为0.19至0.39cm3g-1。如图2b所示，采用非局域密度泛函理论（NL-DFT）来评估孔径分布。拟合具有碳狭缝/圆柱孔模型的吸附分支给出的误差小于0.5％。通过NL-DFT方法计算的微孔体积也与从t图方法获得的值一致。Z-700和Z-800在直径为10.6 A的条件下呈现窄而尖的孔径分布，这接近母体ZIF-8的孔径。随着碳化温度的升高，孔径分布变宽，并略微向大孔径方向移动。这些结果表明，除了晶体形态之外，所获得的MOF的直接碳化的碳材料具有与其母体MOF相似的孔径。值得注意的是，所获得的碳的表面积与通过市售的ZIF-8的纳米浇铸制备的碳的报告值相当，而孔径分布比先前的纳米悬浮的材料更均匀。7B
人们越来越关注化石燃料资源消耗引起的全球气候变化，加速了与可再生能源转换和储存相关的技术的发展。10其中，超级电容器作为一种储能器已经引起了特别的关注。在电动汽车，便携式电子设备和备用电源系统中的应用主要是由于其高功率密度，长循环寿命和快速充放电过程。11纳米多孔和纳米结构的碳材料已经作为双电层电容器的电极进行研究。5，7a，11，12沿着这条道路，我们通过循环伏安法在0.5MH2SO4水溶液电解质中评估了获得的纳米多孔碳的电化学性能，其电位范围从0.2V到1.0V（相对于Ag /AgCl电极）。13
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