无表面活性剂"时间延迟"策略精准调控介孔碳球合成及其超级电容器性能研究

针对无表面活性剂条件下难以精准调控介孔碳球(MCS)结构的难题，研究人员通过创新性"时间延迟"策略，以TEOS水解时间调控为核心，成功制备出孔径>11.32 nm的空心/实心/卵黄壳结构MCS。该材料展现676 m2 g–1高比表面积和243 F g–1优异电容性能，为电化学电极材料设计提供新思路。

　　

在电化学储能领域，介孔碳球(Mesoporous Carbon Spheres, MCS)因其独特的孔道结构和球形形貌备受关注。传统制备方法严重依赖表面活性剂模板，不仅增加成本，还限制孔径调控范围（通常<5 nm），难以满足大分子传输需求。更棘手的是，表面活性剂残留会影响材料导电性。虽然科学家们尝试通过硅辅助策略（silica-assisted）或使用CTAB等表面活性剂来调控结构，但始终无法突破无表面活性剂条件下大孔径MCS的可控制备瓶颈。

针对这一挑战，来自三明学院的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表创新成果。他们巧妙利用TEOS（四乙氧基硅烷）与间苯二酚（resorcinol）水解-缩合动力学差异，开发出"时间延迟"策略，首次在不使用表面活性剂条件下，实现孔径>11.32 nm的空心、实心及卵黄壳结构MCS的精准调控。该材料在超级电容器测试中展现出243 F g^–1的高比电容和91%的循环稳定性，为解决电极材料传质受限问题提供新方案。

关键技术方法包括：通过控制TEOS初始水解时间（t_in）调节硅物种浓度梯度；利用氨催化条件下的St?ber法（一种制备单分散胶体颗粒的经典方法）实现RF树脂（间苯二酚-甲醛树脂）与硅物种的共缩合组装；采用高温碳化结合氢氟酸蚀刻去除硅模板。

Results and discussion
研究发现，TEOS延迟加入时间（t_in）是调控关键：当t_in=0 min时，TEOS与RF同步缩合形成实心结构；t_in=15 min时产生蛋黄-壳结构；t_in≥30 min则形成空心结构。XRD和BET测试证实，延迟时间延长可使孔径从4.7 nm扩大至11.32 nm，比表面积达676 m² g^–1。TEM显示不同t_in下硅物种分布差异是形貌演变的主因。

Conclusion
该研究突破传统表面活性剂依赖的限制，通过"时间延迟"这一单参数调控策略，实现MCS形貌（空心/实心/卵黄壳）与孔结构（孔径>11.32 nm）的精准定制。所制备MCS电极在6 M KOH电解液中，电流密度1 A g^–1下比电容达243 F g^–1，10,000次循环后容量保持率91%。这种简单、绿色的制备方法为高性能超级电容器电极材料开发提供新范式。

重要意义

1. 首次阐明TEOS水解动力学对RF树脂组装过程的调控机制；
2. 创制目前无表面活性剂体系中最大孔径（11.32 nm）的MCS；
3. 单一时间参数实现多级结构控制，显著简化传统多参数调控流程；
4. 为生物大分子分离、药物载体等需大孔道的领域提供材料基础。研究团队特别指出，该方法仅使用Re-F-TEOS三组分体系，较传统CTAB/F127模板法成本降低约40%，具有显著产业化优势。