[发明专利]多孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：(1)提供由可碳化材料制备成的薄膜；(2)采用激光直写碳化技术对所述薄膜进行原位碳化，以在薄膜上形成预定形状的碳化区域；(3)将原位碳化后的薄膜浸泡于溶剂中，使得所述碳化区域自发地从薄膜上脱离，即得到所述多孔碳材料。本发明还公开了所述多孔碳材料及其应用。本发明的多孔碳材料的制备方法，工艺简单、无需模板，能够得到可控形状的多孔碳材料。

技术领域

本发明涉及碳材料技术领域，具体涉及一种多孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

不同尺寸形状和孔隙结构的多孔碳颗粒/膜具有一系列优异特性，如高表面积、热稳定性和机械稳定性好，可调节的电气/电子特性，易于物理和化学功能化以及低密度的特性。这些特性使其在诸多领域中应用广泛，例如电能存储中的电极，催化剂载体基板，药物输送或细胞运输，用于去除水处理中的染料和其他污染物，用于储氢和CO₂吸附，电磁波吸收，还可作为具有新特性的复杂结构金属-有机骨架复合材料的构件。

用于生产多孔碳材料的传统方法通常包括现有碳材料的化学和物理活化、碳前体的催化活化、聚合物共混物的碳化、以及有机气凝胶的热解、含氟聚合物脱氟和金属碳化物的氯化。然而，上述方法无法精确控制多孔碳颗粒/膜的尺寸、形状和孔结构。近年来开发了诸多新型制备方法以获得可控形状、均一尺寸的多孔碳颗粒/膜。各种模板方法，包括硬模板和软模板，通常涉及以非原位或原位方式创建模板结构，该方法步骤多、制备方法繁琐，后续需去模板程序。此外，一些研究人员发现了一些通过合理选择碳前体、溶剂、催化剂和碳化方法的无模板生产多孔碳颗粒/膜的方法。但是，这些无模板法在多孔碳颗粒/膜的形状尺寸控制方面缺乏灵活性和通用性。除了上述缺点之外，先前开发的模板法和无模板法通常只能实现球形或空心球形等单一形状的多孔碳颗粒/膜。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多孔碳材料的制备方法，该制备方法工艺简单、无需模板，能够得到可控形状的多孔碳材料。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)提供由可碳化材料制备成的薄膜；

(2)采用激光直写碳化技术对所述薄膜进行原位碳化，以在薄膜上形成预定形状的碳化区域；

(3)将原位碳化后的薄膜浸泡于溶剂中，使得所述碳化区域自发地从薄膜上脱离，即得到所述多孔碳材料。

本发明中，薄膜基体与碳化区域在所述溶剂中会表现出物理化学性质上的差异，(如表面张力、溶解/溶胀特性、力学性能等)，从而使得薄膜基体与碳化区域之间的产生界面应力，导致碳化区域自发地从薄膜基体上脱离，从而形成了自支撑的、形状和尺寸可控的多孔碳材料。得到的多孔碳材料可为碳颗粒或碳膜。

本发明中，所述可碳化材料可采用本领域公开已知的任何能够在激光照射下发生碳化的材料，包括但不限于合成高分子材料及其衍生物、天然高分子材料及其衍生物。

作为优选，所述可碳化材料选自下述材料中的任意一种：

(i).聚氨酯、木质素、纤维素、木质素磺酸钠；

(ii).(i)中材料的衍生物。

作为优选，所述薄膜为由所述可碳化材料制成的纯膜或由所述可碳化材料和其他组分复合制成的复合膜。其中，所述其他组分为能够与所述可碳化材料复合形成薄膜的任何材料，包括可碳化的材料或不可碳化的材料。

作为优选，所述复合的方式选自溶液共混、溶液吸附、熔融共混中的任意一种或一种以上的组合。

作为优选，所述薄膜的制备方法选自刮涂、旋涂、喷涂、滴涂、浇筑中的任意一种。

本发明中，所述薄膜可为自支撑薄膜或具有支撑基底的薄膜。