[发明专利]一种基于有机多孔聚合物的多孔碳材料制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种基于有机多孔聚合物的碳材料制备方法与应用，包括以下步骤：将多孔聚合物与活化剂混合均匀后，放入磁舟中，将磁舟放入管式炉中，氮气流保护，以一定升温速率升温设定温度，进行碳化；碳化完毕后，自然冷却至室温，接着用盐酸稀溶液洗涤除去残余活化剂，然后再用水将碳化物洗涤至中性，真空干燥后得到黑色或深灰色多孔碳材料。本发明中的碳材料其前驱体价格低廉，原材料来源丰富且易于制备；本发明中的有机多孔聚合物前驱体本身具有高的物理化学稳定性，在碳化过程中其孔道不会坍塌，而且具有发达多孔性和一定的氮含量。

技术领域

本发明属于多孔碳材料技术领域，具体涉及一种基于有机多孔聚合物的碳材料制备方法与应用。

背景技术

多孔碳材料在气体吸附、气体分离、荧光传感、异相催化、光电转换和能量储存等领域具有广阔的应用价值。研究表明，多孔碳材料的功能与其孔性质和结构组成有着非常密切的关系。目前多孔碳材料，大多以工业废料、生物质材料和线型聚合物为碳源，通过烧结制备获得，其孔径主要集中分布在介孔范围内，这限制了其在主客体吸附领域的应用。但是采用多孔聚合物进行烧结，往往易引起多孔结构坍塌，如吉林大学裘式纶等以多孔有机聚合物PAF-1为碳源，未添加任何活化剂，在管式炉中直接高温煅烧得到一系列PAF-1的碳化物。碳化前，多孔有机聚合物PAF-1的BET比表面积、孔容和主要孔径分别为5300m²/g、2.43cm³/g和1.48nm。PAF-1在350、380、400和450℃直接碳化生成的材料PAF-1-350、PAF-1-380、PAF-1-400和PAF-1-450的BET比表面积分别为4033、2881、2292和1191m²/g，孔容分别为2.06、1.51、0.88和0.53cm³/g，主要孔径分别为1.35、1.27、1.18和1.00nm。碳化后材料的多孔性明显降低，这可能是由于高温下材料的刚性骨架发生坍塌，而且碳化温度越高坍塌越严重，坍塌导致材料的孔道收缩，从而导致材料的多孔性降低(Ben T,Li Y,Zhu L,etal.Selective adsorption of carbon dioxide by carbonized porous aromaticframework(PAF)[J].EnergyEnvironmental Science,2012,5(8):8370-8376)而且基于这种贵重金属偶联制备的多孔聚合物前驱体价格昂贵，碳化工艺需要复杂繁琐的操作步骤，费时较长，成本较高。因此基于有机多孔聚合物的多孔碳材料的功能化策略亟需进一步深入的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低，工艺简单的有机多孔聚合物的多孔碳材料的制备方法与应用。

本发明这种有机多孔聚合物，其结构式为以下结构式中的一种：

本发明这种多孔聚合物的制备方法，包括以下步骤：

1)氮气保护和磁力搅拌的条件下，向反应容器中加入无水的溶剂和催化剂，混匀后，接着向其中加入单体，混匀后，升温至聚合温度，进行聚合反应，反应完毕后，冷却至室温，抽滤后，得到初级产物；

2)将步骤1)中的初级产物用洗涤剂洗涤后，先后浸泡在酸性溶液和碱性溶液中，并进行搅拌，使其充分浸泡；将浸泡后的产物进行索提，真空干燥后，得到多孔聚合物。

所述步骤1)中，溶剂为氯仿、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和二甲基亚砜中的一种，催化剂为三氯化铝、三氯化铁和氯化锌中一种，单体为三碟烯、三聚氯氰、溴代三碟烯、联二吡啶、对苯二胺、三氨基三碟烯、对苯二甲酸和对苯二酐中一种或多种；单体与溶剂的摩尔体积比(4～8):(20～30)，单体与催化剂的摩尔比为(4～8):(0～14.4)；所述的聚合温度为60～100℃，聚合反应时间为4～24h。