[发明专利]一种高稳定性大孔径有序介孔碳材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于先进纳米复合材料技术领域，具体涉及一种具有厚墙壁、高稳定性的大孔径有序介孔碳材料及其制备方法。

技术背景

近年来，介孔碳材料由于其碳材料自身的导电特性以及介孔材料的高比表面积的性质，在催化剂载体，超级电容器电极，燃料电池等方面具有广泛的应用前景。传统的介孔碳材料的合成通常采用nanocasting的方法，该方法首先合成出一定结构的介孔二氧化硅材料，再在介孔二氧化硅材料的孔道中填入有机分子作为碳的前驱体，在高温碳化后除去二氧化硅模版，从而得到具有与合成的介孔二氧化硅相对应的介孔碳材料(Ryoo，R.；Joo，S.H.；Kruk，M.；Jaroniec，M.Adv.Mater.2001，13,667-680)。最近，赵东元教授课题组提出了一种利用可溶性酚醛树脂与表面活性剂直接作用制备介孔碳材料的新方法，该种方法利用溶液中可溶性酚醛树脂与表面活性剂之间存在的氢键作用，利用有机-有机自组装的原理，通过溶胶凝胶(sol-gel)方法和溶剂挥发诱导自组装(EISA)方法制备得到有序介孔碳材料，利用该种方法避免了制备过程中模版介孔二氧化硅的制备，节省了时间和资源。(Meng，Y.；Gu，D.；Zhang，F.Q.；Shi，Y.F.；Yang，H.F.；Li，Z.；Yu，C.Z.；Tu，B.； Zhao，D.Y.Angew.Chem.，Int.Ed.2005，44，7053-7059；Zhang，F.Q.；Meng，Y.；Gu，D.；Yan，Y.；Yu，C.Z.；Tu，B.；Zhao，D.Y.J Am.Chem.Soc.2005，127，13508-13509)

尽管人们已经在有序介孔材料方面取得了巨大的进展，然而，具有大孔径、高稳定性的介孔碳材料的合成仍然比较困难。Dai课题组利用两亲性嵌段共聚物PS-b-P4VP作为结构导向剂，将其与间二苯酚之间通过溶剂老化(solvent annealing)的方法形成介观结构，并将其置于甲醛蒸汽中固化以固定介观结构，最后灼烧碳化脱除模板以得到具有超大孔径(34nm)的有序介孔碳材料(Liang，C.，Hong，K.，Guiochon G.A.，Mays，J.W.，Dai，S.，Angew.Chem.Int.Ed.，2004，43，5785-5789)。最近，赵东元课题组利用超大分子量嵌段共聚物PEO-b-PS作为结构导向剂，利用溶剂挥发诱导自组装的方法(EISA)成功合成出具有超大孔径的介孔硅(孔径达23nm)和介孔碳材料(孔径达31nm)(Deng，Y.H.，Yu，T.，Wan，Y.，Shi，Y.F.，Meng，Y.，Gu，D.，Zhang，L.J.，Huang，Y.，Liu，C.，Wu，X.J.，Zhao，D.Y.，J Am.Chem.Soc.，2007，129，1690-1697)。尽管利用PEO-b-PS作为结构导向剂能够合成出具有大孔径的介孔碳材料，但是相比其孔径而言而言，该种材料的墙壁厚度(9.9nm)并不能提供材料足够的稳定性以及机械强度，从而限制了其在许多方面，尤其是对于材料机械强度以及稳定性比较苛刻的方面的应用。

本发明在赵东元课题组已有工作的基础上，利用具有聚氧乙烯(PEO)强亲水段嵌段和聚丙烯酸酯类弱亲水嵌段的共聚物表面活性剂作为介孔结构的结构导向剂，利用嵌段共聚物疏水段能与可溶性酚醛树脂部分发生氢键作用，在相同的聚氧乙烯段长度的条件下得到具有大孔径、厚墙壁的有序介孔碳材料，这种材料由于具有与孔径相当的墙壁厚度，因此具有更加高的稳定性和机械强度。该材料在众多对于材料机械强度要求更为苛刻的应用中具有广泛的应用前景。该方法方法简单，原料易得，可以根据需要改变嵌段共聚物性质来适应应用要求，可用于方法生产。

发明内容

本发明的目的在于一种机械强度高、稳定性好的大孔径有序介孔碳材料及其制备方法。