[发明专利]一种基于廉价碳黑制备有序多孔碳材料的方法及应用

说明书

本发明涉及碳材料的制备技术领域，涉及一种基于廉价碳黑制备有序多孔碳材料的方法及应用。本发明的方法以廉价的碳黑为原料，以浓硝酸为溶剂，通过一步水热法制得呈蜂窝状排布、富含氧缺陷的有序多孔碳材料。本发明采用一步水热法制备均匀分布的有序多孔碳材料，且原料廉价易得，大大降低了生产成本，有利于大规模的工业化应用。本发明提供的制备方法制备的有序多孔碳材料含有丰富的孔道结构和含氧官能团，在水相和有机相都表现出优异的溶解性，导电性良好；为其在材料催化和高分子改性领域的应用提供了可能性。同时这种多孔材料在电催化还原CO₂生成甲酸中也表现出了一定的性能，以及作为负载型催化剂用于电催化还原氮气生成氨表现出了优异的性能。

技术领域

本发明涉及碳材料的制备技术领域，具体涉及一种基于廉价碳黑制备有序多孔碳材料的方法及应用。

背景技术

多孔碳材料因具有丰富的孔道结构、较大的比表面积和高化学稳定性，在日常生活和催化工业中有着广泛的应用，比如有害气体和污染物的吸附、气体的贮藏和分离等；作为催化剂载体，其在化工、储能、催化等领域也得到广泛应用。已知的多孔碳材料主要有活性炭(AC)、活性炭纤维(ACF)、碳分子筛(CMS)以及碳纳米管(CNTs)和石墨烯(GO)等。迄今为止，多孔碳材料大多是通过活化过程得到。其中，无序的多孔碳材料可以通过硬模法、软模法、双模法等制备，但它们的孔道结构往往是封闭的盲孔；而有序的多孔碳材料主要是利用分子筛作为模板剂得到，例如：具有可调变的有序介孔碳材料主要以介孔硅材料MCM-48、SBA-15为模板剂合成得到；具有石墨结构的有序介孔碳材料可以通过高温下将柔性结构的碳源转化成具有高度有序结构的石墨材料得到。这些微孔、介孔和大孔的材料在具体的应用中表现出不同的功能，例如在催化电池领域，其大孔主要用来储存电解质溶液、介孔传导电解液、而微孔则提供双电层反应的场所，但它们往往不能相互连通发挥其应有的功能。

虽然多孔碳材料的合成在过去的数年里取得了巨大成功，但是仍然存在一些技术问题亟待解决。目前兴起的包括金属催化活化，有机气凝胶的碳化以及使用硅纳米粒子的模板合成等能够很好的解决上述盲孔问题；但上述方法都属于物理活化的方法，其制备过程繁琐，制备周期长，且模板剂不能重复利用、成本较高、不适宜大规模生产，这极大限制了多孔碳材料的制备和商业应用。再者通过在成碳过程中加入模板剂，虽然能形成有序的孔道结构，但采用这些方法制备的碳材料石墨化层度往往较低，导电性和稳定性都较普通的碳差很多。因此，为了开拓多孔碳材料在不同领域的应用前景，有必要开发一种简便、实用的制备多孔碳材料的方法。

发明内容

本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种基于廉价碳黑制备有序多孔碳材料的方法及应用，本发明采用简单的一步水热法制备均匀分布的有序多孔碳材料，且原料廉价易得，大大降低了生产成本，有利于大规模的工业化应用。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种基于廉价碳黑制备有序多孔碳材料的方法，包括以下步骤：

以廉价的碳黑为原料，以浓硝酸为溶剂，通过一步水热法制得呈蜂窝状排布、富含氧缺陷的有序多孔碳材料。

在上述技术方案中，所述方法具体包括以下步骤：

称取碳黑，加入质量分数为45％～65％的浓硝酸溶液，超声搅拌直至形成均匀分散的溶液，之后放置在水热反应釜中，于120-160℃下反应4-8小时，待反应釜冷却至常温后，采用旋转蒸发、离心的方式，多次加入蒸馏水洗涤、收集，干燥，得到呈蜂窝状排布、富含氧缺陷的有序多孔碳材料。

在上述技术方案中，反应温度为120-150℃，反应时间为5-6小时。

在上述技术方案中，所述碳黑为BP-2000、XC-72、N220、N330、N550、N660、N990、N110、N115、N234、N326、N339、N375、N539、N550或N880。