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聚合物泡沫直接碳化制弹性碳泡沫
用于柔性电极和有机化学吸收
更广泛的背景
碳泡沫是一种具有互联网络结构的三维多孔碳材料，一般通过发泡聚合物的碳化/热解来制备。近年来超薄和柔性的储能装置已经引起很多关注，以满足现代便携式设备的各种设计和电力需求。要构建这样的设备，需要3D柔性电极。通常市售碳泡沫来自聚合物，例如网状玻璃碳显示脆性特征。在本文中，我们展示了通过低密度聚合物泡沫即三聚氰胺泡沫的直接碳化制备弹性碳泡沫。弹性碳泡沫不仅可用于超级电容器中的柔性电极，还可用作吸收剂去除水表面的有机化学废品和油。
衍生自聚合物的市售碳泡沫通常显示出脆性特征。本文提出通过聚合物泡沫的直接碳化制备弹性碳泡沫的概念。通过三聚氰胺泡沫的直接碳化制备具有3D互联网络的新型弹性碳泡沫。所制备的碳泡沫具备优异的弹性，超过99.6％的极高孔隙率，密度为5mg cm-3的轻重量，高比表面积，定制导电性，超疏水性以及对油和有机溶剂的优异吸收性能。已经证明作为柔性电极和有机化学吸收剂的两个示例应用。用作超级电容器中的电极时，在充电/放电电流密度为0.5Ag -1时，它在1M H2SO4中的比电容可超过250 Fg -1。用作吸收剂时，它能够吸收其自身重量148至411倍的有机溶剂，这取决于溶剂的密度。
碳泡沫是一类具有三维互联网络结构的多孔碳材料，已广泛应用于各个行业领域，例如电化学电池中的电极，催化剂载体，隔热材料，电磁屏蔽和除油。但是脆性特性限制了其应用，例如柔性/便携式设备中的电极。最近几种具有3D弹性/柔性互联网络的碳材料作为柔性储能装置中的多孔电极已被开发，用来满足各种设计和为现代便携式设备供电。这些材料主要分为以下三种类型：（a）CNT和涂有石墨烯的聚合物海绵（b）3D-CNT和石墨烯网络，如通过化学气相沉积（CVD）组装的CNT海绵和石墨烯泡沫（c）通过ZnO模板CVD法合成的气溶胶。虽然第一种类型具有3D柔性和导电互联网络并显示出优异的弹性，但聚合物骨架限制了它们在一些苛刻条件下的使用，例如高温，强酸和强碱。而后两类由于相对成本较高和制备工艺复杂，大规模生产着实具有挑战。
在此，我们报道了一种新型碳泡沫，其具有通过聚合物泡沫的直接碳化制备的3D弹性互联网络，并且被表示为弹性碳泡沫（ECF）。通常市售碳泡沫衍生自聚合物，例如网状玻璃碳（RVC）表现出脆性特征。然而本文中制备的碳泡沫具有优良的弹性，99.6％的超高孔隙率，5 mg cm-3的低密度超轻质的特性，类似于报道的CNT海绵和石墨烯泡沫。此外，它还显示出疏水性和对各种有机化学品的优异吸收性能。鉴于独特的3D弹性互联碳网络和卓越的特性，我们将展示ECF用作柔性电极以及从水表面去除有机化学品废弃物和油的潜力。
ECF的前体是市售聚合物泡沫的三聚氰胺泡沫（MF）。MF的主要成分是甲醛-三聚氰胺树脂（图S1C，ESI），这是一种环保材料并已广泛用于厨房材料，例如餐具和盘子以及建筑材料。 MF具有凹三角形的互联网络结构，如图S1，ESI所示。它首先被开发为有效的研磨清洁剂，然后被广泛用作消声材料。通常商业MF具有4-12mg cm-3的低密度和99％以上的高孔隙率。制备ECF的方法非常简单，只需要在氮气氛围下使用电炉在超过800℃的温度下直接碳化MF。本文使用密度为7.2mg cm-3的MF作为制备ECF的原料。如图1A所示，在碳化过程中会发生很大的收缩：一块尺寸为70times;18times;20mm的白色MF转换为尺寸约为46times;10times;13mm的黑色ECF。如此大的收缩可能归因于MF前体的低碳产率，计算值约为9％。根据图1C，S1A和ESI中的SEM图像显示，所制备的ECF继承了前体MF的互联网络结构和凹三角形纤维形状。
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