[发明专利]一种手性中孔炭纳米纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种利用手性两性分子自组装体为模板制备的手性中孔炭纳米纤维及其制备方法。

背景技术

手性是自然界的本质属性之一，它以各种形式存在于大自然、科学、艺术和建筑中。设计合成具有手性结构的多孔材料引起了广泛的关注，主要因为其在手性分离、手性识别、手性催化等领域具有广阔的应用前景。到目前为止，手性多孔材料的开发主要集中在一些无机化合物（如手性中孔二氧化硅）、金属有机框架材料和螺旋高分子等。纳米孔炭材料具有高的比表面积、稳定的物理化学性质、高的骨架导电率、可调的孔径以及表面化学性质等特点，可广泛用作超级电容器电极、催化剂以及催化剂载体、气体储存和过滤材料等。

纳米结构的创新是决定此类纳米孔炭材料的性能能否取得突破的关键。迄今为止，具有手性孔和螺旋外形结构的纳米孔炭纤维材料尚未见报道。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足之处，本发明的首要目的在于提供一种手性中孔炭纳米纤维的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述方法制备的手性中孔炭纳米纤维。该炭材料具有均匀一致的左手性螺旋外形和左手性中孔孔道，同时炭骨架含有丰富的氮元素。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种手性中孔炭纳米纤维的制备方法，该方法是将两性分子模板与有机单体溶解并混合，加入引发剂混合溶液，引发有机单体的聚合反应，制备得到手性中孔炭纳米纤维前躯体，然后对手性中孔炭纳米纤维前躯体进行高温炭化处理，制得手性中孔炭纳米纤维。

所述两性分子模板为N-肉豆蔻酰L-谷氨酸；所述有机单体优选吡咯。

所述手性中孔炭纳米纤维前驱体的制备过程具体为：室温~60℃下（室温为20~25℃），将N-肉豆蔻酰L-谷氨酸加入乙醇中充分溶解，然后加入水和吡咯，置于冰水浴中搅拌10~40min，加入引发剂混合溶液，引发有机单体聚合，冰水浴条件下搅拌反应0.5~3h，然后减压过滤、洗涤和干燥，得到手性中孔炭纳米纤维前躯体，该前驱体的化学成分为聚吡咯。

所述N-肉豆蔻酰L-谷氨酸∶吡咯的用量配比为1g∶4.3~39.3ml。

所述乙醇∶N-肉豆蔻酰L-谷氨酸∶水的用量配比为2～16ml∶0.014～0.127g∶40ml。

所述引发剂混合溶液为无机酸与无机氧化物水溶液的混合溶液，或者水与无机氧化物水溶液的混合溶液。所述无机酸为盐酸，所述盐酸的浓度为1M；所述无机氧化物为过硫酸铵或六水三氯化铁。所述引发剂混合溶液中，盐酸或水与吡咯的用量比为13.1ml∶1ml。

当无机氧化物为过硫酸铵时，所述吡咯：过硫酸铵的用量比为1ml∶1.64~4.29g，所述无机氧化物水溶液中，过硫酸铵与水的用量比为0.23~0.59g∶1ml；当无机氧化物为六水三氯化铁时，所述吡咯∶六水三氯化铁的用量比为1ml∶9.0g，所述无机氧化物水溶液中，六水三氯化铁与水的用量比为1.24~2.49g∶1ml。

所述无机氧化物水溶液在加入前预冷至0～5℃。所述洗涤是在室温下减压过滤，并用去离子水和乙醇交替洗涤，直到滤液接近中性。

所述的高温炭化处理是在惰性气氛中进行的，所述惰性气氛是流速为100~400ml/min的氮气气氛；所述的高温炭化处理是以2～5℃/min的升温速率升温至400～900℃，炭化1～5h，或者以2℃/min的速率升温至800℃，再以5℃/min升到1000℃，炭化3h。

一种手性中孔炭纳米纤维，就是通过上述制备方法制备的，该手性中孔炭纳米纤维具有均匀一致的左手性螺旋外形，沿着纤维轴中心存在左手性中孔孔道，中孔孔道尺寸为10.7～17.7nm，比表面积为38～277m²/g，总孔容为0.09~0.38cm³/g，氮元素含量为6.8～17.5wt.％。

本发明的原理是：

利用手性纳米孔聚合物作为炭前躯体，是创造手性纳米孔炭材料的有效途径之一；其核心技术在于确保聚合物骨架在高温热处理过程中具有可成炭性，同时其手性纳米孔结构具有可继承性。前期研究表明：共轭聚合物由于其骨架分子链的刚性结构以及链间的π-π等作用，具有优异的骨架成炭性和纳米结构继承性，能够将其直接高温炭化而制备得到一类具有纳米结构的新颖炭纳米纤维。