[发明专利]一种有机模板法原位制备有序介孔炭/金属复合材料的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种有机模板法原位制备有序介孔炭/金属复合材料的方法，属于无机纳米材料技术领域。

背景技术：

有序介孔炭材料(Ordered Mesoporous Carbon，以下简称OMC)是一类具有规则孔道排列、孔径在2nm到50nm之间，孔径尺寸均一的炭材料。有序介孔炭材料不仅具有比表面积高和孔径分布窄的特点，而且具有疏水性、化学惰性、良好的水热稳定性、高机械强度和高导电性。为拓宽有序介孔碳的应用，引入金属颗粒，使之在催化剂载体、储能材料、传感器和电导材料等方面都具有更广泛的应用价值。

目前，通常有两种方法引入金属颗粒。一种是通过将有序介孔炭反复浸渍金属盐的方法；另一种是碳源和金属源同时引入有序硅模板中，通过碳化和除硅过程获得有序介孔炭/金属的复合材料。方法一需要进行反复的浸渍-炭化处理，方法二需要除去表面活性剂和硅模板，操作过程非常复杂、具有耗时长、重复稳定性差、难以大量制备等不足，从而限制了有序介孔炭材料的大量应用。

与此种硬模板路线相对应，原位合成是直接利用有机大分子为模板剂，通过非共价键有机-无机自组装的作用，合成有序介孔炭/金属复合材料的方法。Zhao等人在文献“有机-无机两亲性表面活性剂自组装合成有序介孔炭/二氧化钛纳米复合材料”(Chem.Mater.，2008，20，1140)中报道采用酚醛树脂为碳前驱体，三嵌段共聚物为结构导向剂，在乙醇体系中中性条件下组装合成了有序介孔炭/二氧化钛复合物，同时考察了二氧化钛含量对所得材料的介观结构的影响。众所周知，第一，在酸性或中性介质中合成的酚醛树脂一般为线型或低分子量的体型网络结构，该结构聚合物在进一步热解成碳过程中极易坍塌和破坏，难以保持原始有机-有机组装体的有序结构，加大了有序介孔炭的制备难度，并且获得的炭孔径也较小。碱性介质中合成的酚醛树脂则为热稳定性更高的三维交联网络结构，在炭化过程中更容易保持有序结构，孔径收缩较小。第二，由于介孔炭材料具有较大的比表面积与孔体积，使得它们在催化剂载体、吸附、分离等方面有广泛的应用前景，但是炭材料很难从溶液中分离出来，不利于回收利用，所以利用有磁性分离的介孔炭材料能解决这一难题。

我们在以前工作的基础上，以三嵌段共聚物为结构导向剂，树脂为碳前驱体，固体碱为催化剂，具有磁性粒子的金属盐为金属源，其中金属盐与三嵌段共聚物分子中的亲水端PEO通过氢键作用形成配位化合物，并与RF溶胶共同组装得到三者的复合物，再经炭化处理直接得到有序介孔炭/金属磁性材料，此材料可用于磁性分离等领域。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种有机模板法原位制备有序介孔炭/金属复合材料的方法，以解决现有技术中操作过程复杂、耗时长、重复稳定性差、难以大量制备等不足。得到的材料由于具有磁性，使用后便于回收再利用。

本发明的方法以嵌段共聚物为结构导向剂，聚合物树脂为碳前驱体，固体碱为催化剂，金属盐为金属源，在易挥发的极性非水溶剂中采用溶胶-凝胶技术先组装成有机/无机复合物膜，然后炭化得到有序介孔炭/金属复合材料；

具体方法和步骤是：

A有机/无机复合物膜的制备：将聚环氧乙烯-聚环氧丙烯-聚环氧乙烯类三嵌段共聚物与金属盐，苯酚或间苯二酚分别溶于易挥发的极性非水溶剂中，搅拌形成均一溶液，再将两种溶液混合，加入固体碱作为催化剂，控制加入的碱量使溶液的pH值在7.5～8之间，搅拌均匀，然后将溶液铺展，待溶剂蒸发，形成有机/无机复合物膜，苯酚或间苯二酚、三嵌段共聚物、溶剂、金属盐的质量比为3.2∶2∶28∶0.25-1；

B炭化：将步骤A合成的有机/无机复合物薄膜在氮气保护下，于400～1000℃炭化，升温速率为1℃/min，得到有序介孔炭/金属复合材料。