一種分級孔道泡沫狀有序中孔炭整體材料的製備方法

2023-05-01 04:37:46 1

專利名稱：一種分級孔道泡沫狀有序中孔炭整體材料的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種分級孔道結構泡沫狀有序中孔炭整體材料的製備方法，屬於無機非金屬材料科學技術分支一炭素材料科學技術領域。
背景技術：
有序中孔炭是一種具有三維納米結構的新型碳材料，因其獨特的結構、高化學及熱穩定性、高比表面積、大孔容以及單一可控的孔徑分布使其在催化、吸附分離以及電化學等眾多領域有著廣泛的應用，因而受到人們的關注。迄今為止，有序中孔炭的研究工作多集中於合成新型的三維有序結構和孔徑尺寸的控制。而整體塊狀的多級孔道結構因其具有更快的傳質傳熱速度被認為在諸如單塊高效液相色譜等領域有著廣泛的應用。整體結構有序中孔碳材料以其優異特性而受到研究者的關注。目前，整體結構有序中孔炭材料多採用納米複製法(nanocasting)得到，即以塊狀有序中孔矽材料為模板，通過液體碳源浸漬，炭化以及模板的洗脫等過程得到模板的反向複製產物，如趙東元等人(Yang H F, Shi Q H, Liu X Y, et al. Synthesis of ordered mesoporous carbon monoliths with bicontinuous cubic pore structure of Ia3d symmetry. Chemical Communications, 2002, (23) :2842-2843.)合成的具有Ia3d對稱結構的塊狀有序中孔炭， Feng 等人(Shi Z G, Feng Y Q, Xu L, et al. A template method to control the shape and porosity of carbon materials. Carbon, 2004,42 (8-9) :1677-1682.)製備可控形狀的塊狀中孔炭材料等等。雖然這種方法已得到較多的研究，然而，對比於使用粉末狀模板， 塊狀模板有許多不足之處如有序中孔矽模板製備過程中，殘留溶劑的去除總是伴隨著嚴重的收縮而產生大尺寸的裂隙以及塊狀矽模板的形狀和尺寸難以控制等問題。此外，對比粉末模板，塊狀模板需要長得多的浸漬時間使碳源充分進入模板孔道。同時，為了避免損壞塊狀模板，浸漬過程需要在無攪拌條件下進行，這可能導致碳源分布的不均勻。

發明內容
為了克服現有技術中存在的問題，本發明提供一種分級孔道結構泡沫狀有序中孔炭整體材料的製備方法。該方法過程簡單，分級孔道結構塊狀整體材料具有高度開放的大孔孔泡結構和有序中孔結構，同時泡沫炭的形狀、尺寸易控。本發明採用的技術方案是一種製備分級孔道泡沫狀有序中孔炭整體材料的方法具體步驟如下配製質量濃度為0. 01-0. 1草酸的糠醇溶液；按粉末狀有序中孔矽材料與草酸的糠醇溶液重量比1 6-10配製懸濁液，攪拌懸濁液1-10小時；將作為模板的聚合物泡沫浸漬於所得懸濁液中2-10分鐘，擠出過量的懸濁液；溫度為80-180°C聚合固化0. 5- ，得到複合物泡沫，將上述複合物泡沫置於氮氣氣氛環境下，以0. 01-20°C · miiT1升溫，升溫至 600-900°C炭化處理0. 5-10小時，得到泡沫狀有序中孔矽材料和碳的複合材料；將上述複合材料置於濃度為48%的氫氟酸中浸泡24h後清洗至中性，乾燥得到泡沫狀有序中孔炭整體材料。所述粉末狀有序中孔矽材料選自SBA15、SBA16、MCM48，粒徑為40-8000目。所述模板的聚合物泡沫選自聚氨酯泡沫或酚醛樹脂泡沫。上述技術方案採用粉末狀有序中孔矽材料作為模板，糠醇作為碳源，通過溶液浸漬法將碳源引入有序中孔矽材料孔道內，在草酸催化作用下熱聚合，經炭化得到矽碳複合材料，再通過氫氟酸洗脫矽模板劑從而得到泡沫狀有序中孔炭整體材料。所得分級孔道結構整體材料具有高度開放的大孔孔泡結構、有序且尺寸均一的介孔結構以及高比表面積和孔容。本發明與現有技術相比具有如下優點(1)得到的泡沫炭兼具泡沫狀高度開放的大孔和結構規整的有序中孔的分級孔道結構。(2)本發明可方便的調節泡沫體整體複合材料的孔結構、密度和強度。(3)製備過程簡單、對設備要求不高，參數容易控制，操作容易、易於放大。


圖1是實施例一所得泡沫狀有序中孔炭整體材料掃描電鏡照片。圖2是實施例一所得泡沫狀有序中孔炭整體材料高倍掃描電鏡照片。圖3是實施例二所得泡沫狀有序中孔炭整體材料的小角XRD譜圖。圖4是實施例四所得泡沫狀有序中孔炭整體材料的氮吸附曲線。
具體實施例方式下面通過實施例和附圖對本發明作進一步說明。實施例一配製質量濃度為0. 05草酸的糠醇溶液；按粉末狀有序中孔矽材料SBA-15與草酸的糠醇溶液重量比1 10配製懸濁液，攪拌懸濁液1小時；將作為模板的聚胺脂泡沫浸漬於所得懸濁液中10分鐘，擠出過量的懸濁液；溫度為180°C聚合固化證，得到複合物泡沫， 將上述複合物泡沫置於氮氣氣氛環境下，以0. ore ^irT1升溫，升溫至700°C炭化處理1小時，得到泡沫狀有序中孔矽材料和碳的複合材料。將上述複合材料置於濃度為48%的氫氟酸中浸泡24h後清洗至中性，乾燥得到泡沫狀有序中孔炭整體材料。所得泡沫狀有序中孔炭整體材料大孔孔徑為500微米，BET比表面積為220m2 ^―1， BJH比表面積為149m2 · 總孔孔容為0. 15cm3 · g—1，中孔孔徑3. 2nm。實施例二配製質量濃度為0. 1草酸的糠醇溶液；按粉末狀有序中孔矽材料SBA-15與草酸的糠醇溶液重量比1 6配製懸濁液，攪拌懸濁液10小時；將作為模板的聚胺脂泡沫浸漬於所得懸濁液中2分鐘，擠出過量的懸濁液；溫度為80°C聚合固化lh，得到複合物泡沫，將上述複合物泡沫置於氮氣氣氛環境下，以2°C · miiT1升溫，升溫至700°C炭化處理1小時，得到泡沫狀有序中孔矽材料和碳的複合材料。將上述複合材料置於濃度為48%的氫氟酸中浸泡24h後清洗至中性，乾燥得到泡沫狀有序中孔炭整體材料。所得泡沫狀有序中孔炭整體材料大孔孔徑為500微米，BET比表面積為410m2冗―1，BJH比表面積為247m2 · g、總孔孔容為0. 29cm3 · g—1，中孔孔徑3. 2nm。實施例三配製質量濃度為0. 05草酸的糠醇溶液；按粉末狀有序中孔矽材料SBA-15與草酸的糠醇溶液重量比1 8配製懸濁液，攪拌懸濁液4小時；將作為模板的酚醛樹脂泡沫浸漬於所得懸濁液中2分鐘，擠出過量的懸濁液；溫度為80°C聚合固化lh，得到複合物泡沫，將上述複合物泡沫置於氮氣氣氛環境下，以10°C · miiT1升溫，升溫至900°C炭化處理1小時， 得到泡沫狀有序中孔矽材料和碳的複合材料。將上述複合材料置於濃度為48%的氫氟酸中浸泡24h後清洗至中性，乾燥得到泡沫狀有序中孔炭整體材料。所得泡沫狀有序中孔炭整體材料大孔孔徑為300微米，BET比表面積為156m2冗―1， BJH比表面積為208m2 · 總孔孔容為0. 15cm3 · g—1，中孔孔徑3. 2nm。實施例四配製質量濃度為0. 05草酸的糠醇溶液；按粉末狀有序中孔矽材料MCM-48與草酸的糠醇溶液重量比1 8配製懸濁液，攪拌懸濁液6小時；將作為模板的聚胺脂泡沫浸漬於所得懸濁液中2分鐘，擠出過量的懸濁液；溫度為140°C聚合固化lh，得到複合物泡沫，將上述複合物泡沫置於氮氣氣氛環境下，以2V · miiT1升溫，升溫至700°C炭化處理1小時，得到泡沫狀有序中孔矽材料和碳的複合材料。將上述複合材料置於濃度為48%的氫氟酸中浸泡24h後清洗至中性，乾燥得到泡沫狀有序中孔炭整體材料。所得泡沫狀有序中孔炭整體材料大孔孔徑為300微米，BET比表面積為466m2冗―1， BJH比表面積為261m2 · g、總孔孔容為0. 26cm3 · g—1，中孔孔徑2. 3nm。
權利要求
1.一種分級孔道結構泡沫狀有序中孔炭整體材料的製備方法，其特徵在於該方法的具體步驟如下配製質量濃度為0.01-0. 1草酸的糠醇溶液；按粉末狀有序中孔矽材料與草酸的糠醇溶液重量比1 6-10配製懸濁液，攪拌懸濁液1-10小時；將作為模板的聚合物泡沫浸漬於所得懸濁液中2-10分鐘，擠出過量的懸濁液；溫度為80-180°C聚合固化0. 5-5h， 得到複合物泡沫，將上述複合物泡沫置於氮氣氣氛環境下，以0. 01-20°C · miiT1升溫，升溫至600-900°C炭化處理0. 5-10小時，得到泡沫狀有序中孔矽材料和碳的複合材料；將上述複合材料置於濃度為48%的氫氟酸中浸泡24h後清洗至中性，乾燥得到泡沫狀有序中孔炭整體材料。
2.根據權利要求1所述的一種分級孔道結構泡沫狀有序中孔炭整體材料的製備方法， 其特徵在於所述粉末狀有序中孔矽材料選自SBA15、SBA16、MCM48，粒徑為40-8000目。
3.根據權利要求1所述的一種分級孔道結構泡沫狀有序中孔炭整體材料的製備方法， 其特徵在於所述作為模板的聚合物泡沫選自聚氨酯泡沫或酚醛樹脂泡沫。
全文摘要
一種分級孔道結構泡沫狀有序中孔炭整體材料的製備方法，屬於無機非金屬炭素材料科學技術領域。該方法採用粉末狀有序中孔矽材料作為模板，糠醇作為碳源，通過溶液浸漬法將碳源引入有序中孔矽材料孔道內，在草酸催化作用下熱聚合，經炭化得到矽碳複合材料，再通過氫氟酸洗脫矽模板劑從而得到泡沫狀有序中孔炭整體材料。所得分級孔道結構整體材料具有高度開放的大孔孔泡結構、有序且尺寸均一的介孔結構以及高比表面積和孔容，可方便的調節泡沫體整體複合材料的孔結構、密度和強度。製備過程簡單、對設備要求不高，參數容易控制，操作容易、易於放大。可用作吸附材料、電池基板以及固定床填料等領域。
文檔編號C01B31/02GK102249213SQ20111010325
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月24日 優先權日2011年4月24日
發明者凌錚, 周穎, 肖南, 趙宗彬, 邱介山 申請人:大連理工大學