Обычные сахара — сахарозу и фруктозу — можно превратить в углеродные материалы с порами строго заданной формы, обойдясь без вспомогательных шаблонов. Это показали исследователи из Национального института передовых промышленных наук и технологий (AIST, Япония). Их работа опубликована в Journal of the American Chemical Society.

Обычный способ сделать пористый углерод с одинаковыми порами выглядит так: берут полимерные сферы, пропитывают их углеродсодержащим веществом, обжигают, а потом растворяют сферы кислотой при высокой температуре. Шаблон исчезает, оставляя пустоты. Метод рабочий, но агрессивный и многостадийный — с сильными кислотами и нагревом до нескольких сотен градусов.

Химия вместо физики

Группа из AIST пошла другим путём. Химики присоединили к молекулам сахаров длинный углеводородный «хвост» — алкильную цепь, похожую на те, что есть в жирах. Такой модифицированный сахар поместили в воду и нагрели под давлением. При гидротермальной обработке сахарные головки сконденсировались друг с другом, образовав углеродный каркас, а алкильные хвосты самособрались внутри него в упорядоченные структуры.

Меняя тип сахарной головки, исследователи получили два варианта: углерод со сферическими порами или со слоистой наноструктурой. Никаких шаблонов и кислотной отмывки не понадобилось.

Авторы называют это переходом от «физического» формирования пустот (когда геометрию задаёт шаблон) к «химическому» (когда форма пор заложена в самой молекуле-прекурсоре). Подробностей, какой именно сахар даёт сферические поры, а какой — слои, в доступном описании пока нет.

Где это пригодится. Пока это лабораторный результат. Одно из возможных применений — электроды для аккумуляторов и топливных элементов, где важна равномерность пор. Активный уголь, который используется в фильтрах для воды, как раз пористый, но размеры его пор разбросаны хаотично. Углерод с одинаковыми порами может пропускать только молекулы определённого размера — это полезно для газоразделения или тонкого катализа.

Схема сравнения двух методов: слева — шаблонный синтез с многостадийным удалением шаблона, справа — одностадийный химический синтез из модифицированных сахаров, где поры формируются в процессе конденсации.

Фото: R C / Pexels