[发明专利]一种几十克级多级孔单分散200～300nm碗形碳材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体涉及一种几十克级多级孔单分散200～300nm的碗形碳材料的制备方法。

背景技术

微-介孔碳材料具有独特的孔结构，大的比表面积，较强的吸附能力以及化学、热力学稳定性，在光学、电子、生物、催化、医疗等领域得到了广泛的应用。近年来，国内外研究者对其进行了大量的研究，介孔材料科学已经成为国际上跨化学、物理、材料、生物等学科交叉的热点研究领域之一，更成为材料科学发展的一个重要里程碑。目前，介孔碳可以分为两大类：有序介孔碳和无序介孔碳。有序介孔碳制备过程耗时长，条件难以控制，而且产量极低，仅限于实验室内制备和使用。无序介孔碳的制备过程虽然相对简单，但是其形貌难以控制，而形貌不同往往会导致性能差异。因此，制备规整形貌的介孔碳显得尤为重要。而国内外关于介孔碳的制备方法主要有软模板法和硬模板法。软模板法是嵌段共聚物与表面活性剂之间通过氢键、静电或者相互作用自组装成规整的介观结构，此方法不仅要求表面活性剂与碳前驱体有较强的相互作用，还能在碳化过程中分解除去，而且碳前驱体也需要自身聚合形成具有一定机械强度的三维网络结构的高分子骨架结构，保证在除去表面活性剂后骨架结构不会倒塌。并且该方法对碳前躯体和表面活性剂的选择要求比较高，且碳化过程损失较多，产量较低，耗时长，不适宜批量化生产。硬模板法是以正硅酸乙酯水解生成的SiO₂与表面活性剂组装成一定的结构作为模板，再加入合适的碳源通过浸渍法或CVD法制得硅碳复合物，之后用NaOH溶液或HF溶液刻蚀去除SiO₂模板，即可得到介孔碳。硬模板法是无机模板的反相复制，可通过改变模板的空间大小、形状以及结构对材料进行可控调控，但是此合成方法耗时长，步骤繁多，去除模板时容易使之塌陷。通常情况下，用这两种方法制备的介孔碳是球形的，产量较低。然而制备产量、高比表面积的碗形介孔碳未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有微-介孔碳材料制备方法存在的易团聚、形貌不可控、产量低、合成步骤复杂等问题，提供一种简单易行、成本低，可以制备几十克级粒径为200～300nm的多级孔单分散碗形碳材料的方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：向无水乙醇和水的混合体系中加入NH₃·H₂O、十六烷基三甲基溴化铵、间苯二酚、正硅酸乙酯和质量分数为37％的甲醛水溶液，其中十六烷基三甲基溴化铵与正硅酸乙酯、间苯二酚、甲醛、NH₃·H₂O的摩尔比为1:7.5～8.5:1.0～3.5:2.5～7.5:5～6，搅拌均匀，在80～100下水热反应12～36小时，离心分离，干燥，将所得粉体在N₂气氛中700～900℃碳化1～2小时，然后用1～3mol/L的NaOH水溶液超声处理1～2小时，得到粒径为200～300nm的多级孔单分散碗形碳材料。

上述的无水乙醇与水的体积比为1:1.5～4，优选无水乙醇与水的体积比为1:2.5。

上述的十六烷基三甲基溴化铵、正硅酸乙酯、间苯二酚、甲醛、NH₃·H₂O的摩尔比优选为1:8.05:3.35:6.95:5.25。

上述的NaOH水溶液的浓度优选为3mol/L。

本发明优选在100℃下水热反应12～36小时，最佳选择在100℃下水热反应24小时。

本发明最佳选择将所得粉体在N₂气氛中850℃碳化2小时。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1、本发明方法能耗低，成本低，环境友好，操作简单。

2、本发明所制备的多级孔单分散碳材料为粒径200～300nm的碗形结构，且其上分布有大量无序的孔，粒径分布均匀，孔径分布较窄，比表面积较大。

3、本发明方法一次可制备几十克级的产品，产品产量高，且所得产品的形貌规整，分散性好，无团聚现象发生，适合规模化生产，在催化剂载体方面具有潜在的应用前景。

附图说明

图1是实施例1制备的多级孔单分散碗形碳材料的TEM图。

图2是实施例1制备的多级孔单分散碗形碳材料的SEM图。

图3是实施例1制备的多级孔单分散碗形碳材料的N₂等温物理吸附曲线。

图4是实施例1制备的多级孔单分散碗形碳材料的孔径分布图。