[发明专利]以金属有机骨架材料为模板制备高比表面积炭材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及多孔炭材料制备技术领域，尤其涉及一种以高热稳定性的金属有机骨架材料为模板以金属有机骨架材料为模板制备高比表面积炭材料的方法。

背景技术

炭材料经常出现在人们的日常生活中，它通常是由动物的骨骼、树木、煤、糖和其他生物或有机材料炭化形成的。

炭材料因其独特的化学稳定性、热稳定性等而在电学、机械学、化学等领域显示出卓越的应用价值，引起了人们的极大关注。近年来，随着科学工作者对炭材料的深入研究，对其有了进一步的了解，发现了更多的潜在应用。其中孔炭材料在膜、催化、分离、吸附、能量储存与转化、微电极基质、电极绝缘体、质子交换膜燃料电池等方面有极其重要的价值和应用。

孔炭材料由于其本身存在各种孔径的孔道结构，因此具有很高的比表面积，这使其在气体吸附和储存方面具有潜在的应用。按其孔径的大小，分为微孔(＜2nm)，介孔(2-50nm)和大孔(＞50nm)。孔径对于炭材料的比表面积和吸附能力影响很大。微孔炭材料具有较高的比表面积和较大的吸附性，因此制备具有良好的微孔结构，均匀的孔径分布，优越的机械强度，制备方法简单的微孔炭材料是有意义的。

传统的孔炭材料的制备通常是使用含碳量较高的焦油、煤和生物材料等，通过粉碎、炭化、活化和成型等工艺制得的多孔炭材料，但是这种材料是无定形的，没有规则的孔道结构，孔径分布不均一，这影响了其吸附气体的能力。

采用模板复制的方法可以获得具有规则孔道的多孔炭材料。传统多孔炭材料的复制方法是以多孔硅、硅球和分子筛等材料为模板，这种方法可以获得具有一定孔径分布的多孔炭材料，但是也存在一些缺陷。首先，目前使用的模板材料的结构存在着较大的局限性，只有几种常见的孔径的模板材料是易于制备的；同时后处理过程需要采用一定浓度的HF除掉硬模板，而HF是危险的化学药品，对人体的健康和环境有严重的危害，不适宜大规模工业生产。因此，制备具有规则孔道的多孔炭材料的方法仍有待进一步提升。

金属有机骨架材料是由金属中心和配体通过配位作用连接而成的多孔材料，具有规则的孔道结构，且可以通过改变配体来调节这种结构。这是近二十年来发展起来的一种新材料，以其结构的可剪裁、可设计性给多孔材料的合成带来了革命性的变化，克服了传统多孔材料结构难以控制、孔径相对单一、应用范围窄的缺点。因此，研究一种利用金属有机骨架材料为模板来制备炭材料的方法具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以金属有机骨架材料为模板制备高比表面积炭材料的方法，该方法制得的炭材料孔道结构规则，孔径分布均匀，在气体吸附储存、工业废物分离等方面具有良好的应用价值，且该方法制备过程简单易行、安全性好。

为实现上述目的，本发明提供一种以金属有机骨架材料为模板制备高比表面积炭材料的方法，其包括步骤如下：

步骤1、模板金属有机骨架材料的合成：采用金属盐与有机配体的溶液混合反应，从而制得具有孔道结构的金属有机骨架材料，其中反应温度为60-220℃，金属盐与有机配体的反应比例为0.01-20∶1；

步骤2、金属有机骨架材料的预处理：将上述制得的金属有机骨架材料浸泡在溶剂中，室温下搅拌12-48h后，过滤除去溶剂；该浸泡、搅拌及过滤过程重复2-6次，之后将获得的产品于30-100℃下干燥10-24h；

步骤3、向金属有机骨架材料中引入炭源：将上述获得的产品抽真空加热到120-200℃，并保持此温度12-48h后，自然降至室温，再加入液态炭源，并停止抽真空，让炭源与金属有机骨架材料充分接触形成液态混合物并保持24-48h，过滤混合物，用有机溶剂洗涤后收集滤饼，将滤饼于30-120℃烘干8-12小时后，得到炭源填充于金属有机骨架材料孔道的复合物，其中滤液回收循环使用；

步骤4、炭源高温炭化：将上述得到的复合物放入管式炉中，在惰性气体的保护下，采用程序升温法进行炭化加热，使炭源聚合、炭化，在炭化过程中金属有机骨架材料结构中的有机基团也炭化增加含碳量并与金属模板发生相分离，从而复制金属有机骨架材料的孔道结构，得到活性炭与金属氧化物复合物；

步骤5、除去模板：向上述得到的活性炭与金属氧化物复合物中加入30-50ml的2-5mol/L的酸溶液，常温搅拌10-24h，使金属氧化物充分溶解，过滤后用体积为0.5∶1-3∶1的醇水混合物洗涤2-3次，自然晾干后得到高比表面积炭材料。