多孔炭材料是一类由含碳前驱体通过特定处理方式获得的具有丰富孔隙结构的炭材料。依据多孔材料的孔径尺寸差别，国际纯粹与应用化学联合会将孔结构分为三种类型：微孔（Micropore，＜2nm）、介孔（Mesopore，2~50nm）和大孔（Macropore，＞50nm）。一般来说，多孔炭材料的孔隙应当包括上述孔结构类型中的一种或多种，可分为微孔炭材料、介孔炭材料、大孔炭材料和分级多孔炭材料，下图列出了三种孔隙类型的代表性多孔炭电子显微镜图像。另外依据孔隙的形态差别，通常也可以将孔结构分为狭缝孔、管状孔和无定形孔等。对于多孔炭材料，依据其结构特点又可将其分为无序多孔炭和有序多孔炭。多孔炭的比表面积和孔结构（如孔容积、孔隙类型、孔径分布等）是对于该类材料的十分重要的评价指标。

图：依据材料孔径对孔隙的分类以及对应孔隙类型的代表性多孔炭电子显微镜图像

通常认为能够以一定方式实现向炭材料转变的物质均可用作多孔炭材料的前驱体，故其种类繁多、来源广泛。目前最常见的多孔炭材料前驱体主要包括生物质材料、高分子聚合物材料、煤基材料、有机框架材料等四类。

生物质材料可以是动植物等生物的器官或组织，如动物骨骼、毛发或植物枝干、果壳等；也可以是动植物的化学成分或合成产物，如甲壳素、明胶、蔗糖、纤维素、木质素等。生物质的来源广泛、环境友好可持续，并且以其制备多孔炭材料的工艺简便易行，是实现多孔炭大规模生产的主要前驱体。

高分子聚合物材料中常见的用作多孔炭的前驱体包括酚醛树脂、聚苯胺、聚丙烯腈等。可通过控制单体和聚合方式的手段调节聚合物的化学元素组成、分子量大小以及分子链的形状，从而实现对多孔炭材料的成分设计与结构调控。然而，高分子聚合物的合成通常涉及复杂化学反应和特殊工艺条件，导致成本相对较高，同时还可能伴随有害副产物带来环境影响。

图：聚苯胺水凝胶衍生多孔炭的合成示意图

煤基材料主要包括煤以及煤焦油、煤沥青等煤衍生物，它们均可作为多孔炭的前驱体材料。煤由短脂肪键和醚键连接的芳香环和氢化芳香族组成，可以通过分子化学工程策略调整煤中的芳香族基本结构单元实现多孔炭材料的功能化设计。 然而煤基材料中的杂质难以去除，且很难通过简单工艺实现孔结构精确调控，同时还伴随能耗较大的问题。

图： 煤基多孔炭的改性示意图

包括金属有机框架材料（ metal organic frameworks， MOFs）、共价有机框架材料（ covalent organic frameworks， COFs）和氢键有机框架材料（ hydrogen-bonded organic frameworks， HOFs）在内的众多有机框架材料，凭借其容易调控的化学组成、比表面积及孔隙结构等特性，已经逐渐成为多孔炭材料的一类新兴前驱体。然而，有机框架材料制备工艺复杂，且往往成本高昂，在规模化生产中具有较大难度。

图：一种金属有机框架材料衍生多孔炭的合成示意图

参考：植物基多孔炭材料的设计、制备及其应用研究，作者：付伟阳