[发明专利]有序中孔碳及其制造方法

说明书

要求在先提交的美国专利申请的权益的声明

本申请要求美国临时申请第60/876274号(2006年12月21日提交)和 第60/925997号(2007年4月24日提交)的权益。这些文件的内容通过参考并入 本文。

技术领域

本发明涉及有序中孔碳的形成，它利用表面活性剂/碳前体-水/油体系加强 对所得中孔碳材料的相畴(phase domain)、中孔结构、中孔尺寸和宏观形貌的控 制，并提高控制这些特征的灵活性。在一个实施方式中，有序中孔碳通过部分 氧化形成活性炭，在活性炭上可分散和稳定例如催化剂。

背景技术

因为有序中孔碳具有广泛应用，所以其合成方法在近些年得到大量研究。 例如，有序中孔碳可应用于与水/空气纯化、气体分离、催化、大疏水分子的吸 附、色谱分离、电容去离子、电化学双层电容器和储氢相关的领域。

有序中孔碳[具有内在三维(3-D)有序/互连孔排布]可利用两种合成技术中 的任意一种制备。第一种技术是这样制备有序中孔碳的，即制备无机氧化硅模 板，在氧化硅模板中浸渍碳前体，干燥经浸渍的氧化硅模板，对经浸渍的氧化 硅模板进行交联，并使经交联的氧化硅模板发生碳化，此时氧化硅模板溶解， 得到有序中孔碳。例如，氧化硅模板可具有不同结构，如MCM-48、SBA-15 和SBA-16，它们可分别用于制备称作CMK-1，6、CMK-3，7和CMK-6，8的碳复 制品。尽管所得碳结构是通过母体氧化硅模板预先设计好的，但此合成技术仍 然耗时长、成本高。

第二种合成技术近年来最受关注，它使用包含有机模板的有机-有机复合 物。根据此合成技术的一种形式，有序中孔碳是这样制备的，即自组装有机模 板，在该有机模板中浸渍碳前体，干燥经浸渍的有机模板，对经浸渍的有机模 板进行交联，并使经交联的有机模板发生碳化，此时有机模板溶解，得到有序 中孔碳(注：有机模板的自组装和浸渍是同时进行的，因此可视为制造过程中 的一个步骤)。此特定技术避免使用无机模板，从而减少了制造步骤的数量。 根据此合成技术的第二种形式，有序中孔碳粉末是这样制备的，即混合有机模 板和碳前体，让它们在富水环境中反应，直到形成沉淀。然后，不经过交联步 骤，直接使粉末发生碳化，此时有机模板溶解，得到有序中孔碳(注：含碳前 体的模板自组装后形成沉淀，所以该技术只能用于合成粉末)。此外，由于第 二种合成技术的两种形式都采用有机-有机体系，所以控制有序中孔碳中所形 成的孔的相取向具有更大的灵活性。对制造有序中孔碳的第二种合成技术进行 改进就是本发明的主题。

发明内容

一方面，本发明提供了由表面活性剂、水与碳前体的溶液、不与水混溶的 油(还可能有与水混合的酸)形成的有序中孔碳。在一个实施方式中，有序中孔 碳通过以下步骤制造：(a)混合至少含预定量溶剂和所需量表面活性剂的溶液、 碳前体、水和油(任选：水可包含酸，如无机酸、HCl、HNO₃、H₂SO₄、H₃PO₄)； (b)干燥溶液；(c)对溶液进行交联，以固定水和形成预碳化中观结构相(包含自 组装有机模板)；(d)碳化经预碳化的中观结构相，形成有序中孔碳(其中自组装 有机模板溶解，形成有序中孔碳)。为帮助确定在步骤(a)中混合的表面活性剂、 碳前体、水(以及可能加入的酸)和油的所需用量，可以利用包括以下步骤的配 制方法：(1)选择公知的表面活性剂/水/油平衡相图；(2)将表面活性剂/水/油平 衡相图中的水相标记换成碳前体和水相标记；(3)以表面活性剂/碳前体和水溶 液/油平衡相图为指导，估计制备有序中孔碳所用的表面活性剂、碳前体/水溶 液(以及可能与水混合的酸)和油的所需用量。