[发明专利]一种棒状多级孔碳材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料学领域，尤其涉及一种棒状多级孔碳材料的制备方法。

背景技术

多孔碳材料具有碳材料的性质，如化学稳定性高，导电性好，价格低廉等优点；同时，孔结构的引入使其同时具有比表面积大，孔道结构可控，孔径可调等特点。近几年随着研究的深入，多孔碳材料在气体分离水的净化色谱分析催化和光催化及能量存储等领域得到了广泛的应用。另外，多孔碳材料具有耐高温、耐酸碱、导电、导热等一系列特点，已知在气体和液体的精制与分离，以及电子工业、生物材料、医学等诸多领域得到广泛应用。随着现代科技的发展，多孔碳材料的应用领域在不断地拓展，人们对于多孔碳材料的要求也愈来愈高，结构有序、孔径大小均一的多孔碳材料逐渐成为人们追求的目标。这促使研究人员不断地寻求和探索控制孔结构的新方法。金属有机骨架(MOFs)材料作为近年来迅猛发展的新兴多孔材料，它是由金属离子和有机配体自组装构筑起来的一类结晶的多孔材料，在过去的几十年间受到人们的广泛关注并且在这一领域取得了巨大的进展。与传统的多孔材料相比，这类材料最大的优点是构筑单元和组成的多样性，可以通过合理的设计引入不同的官能团和金属中心。金属有机骨架化合物具有高的比表面积和丰富的孔结构使得它们在气体吸附与储存，催化，质子导电，传感及识别等领域有着独特应用。另一方面，构成金属有机骨架化合物的金属元素和有机物可以在一定的条件下转化为多孔碳，这也是金属有机骨架最近几年的研究热点。金属有机骨架化合物模板碳作为一种新型的多孔碳材料从其出现就迅速的吸引了人们的注意力。这一方面受益于金属有机骨架化合物结晶材料的快速发展和构筑单元的多样性，可以选择合适的有机前驱物和金属物种得到不同形貌的多孔碳，还可以在合成过程中加入另外的前驱物引入杂原子进一步改进多孔碳的性质。同时，由于MOFs组成的均匀性和纯粹性，得到的多孔碳具有非常均匀的结构与成分。然而，由于MOFs具有相对较差的稳定性，其实际应用和发展受到了很大的限制。为了进一步推进MOFs材料的应用进程,可利用MOFs材料受热易分解的缺点,将其高温煅烧碳化制备稳定的纳米多孔碳材料。在专利CN201510441984.1中公开了一种选用生物质原料乌拉草作为碳源制备多孔碳材料的方法，该法工艺简单，无需使用助剂，且制得的多孔碳材料有较高比表面积及高热稳定性，孔径分布均一，但存在成本问题，不易连续化生产。在专利CN201410354657.8中公开了一种利用造粒科制备多孔碳材料的方法，该法是将氯化聚氯乙烯，碱金属氢氧化物和甲基丙烯酸酯共聚物份按一定质量份数搅拌混合后，挤出得到造粒料；再将造粒料高温碳化后，浸入有芳香物得到多孔碳材料。该法工艺简单、绿色环保、易于工业化、产品性能稳定，却很难得到孔径分布均一，比表面积大的碳材料。

本发明中，首先采用模板剂诱导生长的方式，制备出棒状金属有机框架材料Fe-MOF，然后通过控制后期的煅烧温度，调控多孔碳包覆下氧化铁的形貌和大小，从而实现多级孔结构的控制。此种方法，制备的多孔碳孔径易于控制、比表面积大。

发明内容

针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种棒状多级孔碳材料的制备方法，所述的这种棒状多级孔碳材料的制备方法解决了现有技术的方法制备的多级孔碳材料孔径分布难易控制，比表面积小的技术问题。

本发明提供了一种棒状多级孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：

1)一个采用水热法制备棒状金属有机骨架材料Fe-MOF前驱体的步骤；包括如下步骤：

a.称取铁粉、均苯三甲酸、氢氟酸、硝酸、去离子水，所述的铁粉、均苯三甲酸、氢氟酸、硝酸、去离子水的摩尔比为1:0.68:1.95:0.47：(250-300)，所述的氢氟酸的质量百分比浓度为40％，所述的硝酸的质量百分比浓度为65％-68％，然后称取聚乙烯吡咯烷酮，所述的聚乙烯吡咯烷酮的质量为铁粉、均苯三甲酸、氢氟酸、硝酸和去离子水质量之和的2～8％，所述的聚乙烯吡咯烷酮作为模板剂；

b.先将氢氟酸与铁粉混合，然后逐滴加入硝酸，超声波震荡至铁粉溶解，加入去离子水，再加入聚乙烯吡咯烷酮，超声溶解，再加均苯三甲酸，超声溶解；

c.将b所得的混合液转移到反应釜中，混合液占水热釜体积的50～65％，在150～180℃下反应5～10小时；

d.将c所得到的粉体用乙醇洗涤，在90～110℃下真空干燥，即得Fe-MOF前驱体；

2)在真空或者N₂的保护下，煅烧Fe-MOF前驱体，控制煅烧温度为400～650℃，时间为2～5h，最后随炉降到室温，得到棒状核壳多孔碳/氧化铁材料；