[发明专利]快速合成块体分等级孔道结构含氮多孔炭的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种快速合成块体多孔炭的工艺，利用此工艺可合成各具特点 的多孔炭，其中包括分等级孔道结构含氮多孔炭、富大孔分等级孔道结构含氮 多孔炭、富大孔有序含氮中孔炭及分等级孔道结构含氮磁性多孔炭。

背景技术

多孔炭是集纳米空间，超微粒子和表面性固体于一身的多孔性炭质材料， 具有丰富的孔结构和表面官能团，在诸多领域表现出了很好的应用前景。但目 前的合成工艺复杂，合成周期长，并且合成出的炭材料多为粉末状，实际应用 过程中存在分离、收集难等问题。因此亟需发展新合成工艺，以合成块体多孔 炭为目标，简化制备方法。

发明内容

针对现有制备工艺存在的合成时间长，能量消耗大，表面化学调控困难， 炭材料成型繁琐(常见的为粉末状)，大孔相对较少的缺陷，本发明提出了快 速合成块体分等级孔道结构含氮多孔炭的方法。

本发明的原理是：分等级孔道结构含氮多孔炭，以间苯二酚和甲醛为原料， 一部分以两性化合物氨基酸(谷氨酸，谷酰胺酸，天冬酰胺酸，色氨酸或苯丙 氨酸)为催化剂，另一部分以碱性含氮有机物(咪唑类、有机胺类)为催化剂， 水为溶剂，其中催化剂引发并参与了酚醛缩聚反应，同时引入以共价键结合的 含氮官能团，具有类似化学活化的效果，缩聚产物炭化后可以得到孔道结构可 控、氮掺杂的多孔炭。

对于低密度富大孔分等级孔道结构含氮多孔炭，一部分在保留氨基酸特有 催化体系的同时，引入油酸作为软模板，催化剂参与并且加快了酚醛缩聚反应， 制得低密度的富大孔分等级孔道结构含氮多孔炭，另一部分以N-甲基咪唑作为 催化剂，同时引入油酸制得低密度富大孔分等级孔道结构含氮多孔炭。

对于低密度富大孔有序中孔炭，保留氨基酸特有催化体系，并用氨基酸调 节体系pH值，然后在弱酸或弱碱性(近中性)条件下以不同配比的乙醇水溶液 引入F127，根据反应模具形状得到各种成型(圆柱状、长方体状或片状)富大 孔有序中孔炭。

对于磁性分等级孔道结构含氮多孔炭，仍然保留氨基酸催化体系，引入金 属离子(Fe³⁺、Co²⁺或Ni²⁺)作为助催化剂，组成双催化体系，同时也由其引入 磁性，制备出具有分等级孔道结构含氮的磁性多孔炭。

本发明的技术方案是：快速合成块体分等级孔道结构含氮多孔炭的方法， 该方法以间苯二酚和甲醛为原料，氨基酸或咪唑类化合物、有机胺为催化剂， 水或乙醇水溶液为溶剂，经溶胶凝胶过程，一步法快速合成含氮的分等级孔道 结构多孔炭、富大孔分等级孔道结构含氮多孔炭、富大孔有序含氮中孔炭及分 等级孔道结构含氮磁性多孔炭。

具体合成方法如下：

一、快速合成分等级孔道结构含氮多孔炭：

(1)配制浓度范围为0.1g/ml～1.5g/ml的间苯二酚水溶液；

(2)配制浓度为0.2g/ml～1.0g/ml的氨基酸溶液；

(3)室温下，将氨基酸溶液加入到间苯二酚水溶液中，搅拌10～60min， 得到无色透明溶液，其中间苯二酚与氨基酸的摩尔比为0.4∶1～4∶1；

(4)在搅拌条件下，按间苯二酚与甲醛的摩尔比为1∶1～1∶2.7的比例 将甲醛快速注入步骤(3)的无色透明溶液中，溶液从无色透明瞬间转变为白色 聚合物块体；

(5)50℃干燥24h；

(6)炭化：用惰性气体保护，以1～3℃/min的升温速率从室温升至400℃， 恒温50～120min，然后以1～5℃/min的升温速率由400℃升至炭化终温450～ 1200℃，恒温60～240min，炭化得到型态保持的分等级孔道结构含氮多孔炭。

其中，控制固含量为20％～45％，即控制溶液非挥发物质含量在20％-45％。

二、快速合成富大孔分等级孔道结构含氮多孔炭：

(1)配制浓度范围为0.1g/ml～1.5g/ml的间苯二酚水溶液；

(2)配制浓度为0.2g/ml～1.0g/ml的氨基酸溶液，或者浓度为7.4mg/ml～ 8.5mg/ml的有机胺溶液，或者浓度为9.5mg/ml～11.0mg/ml咪唑类化合物溶 液；