[发明专利]一种反蛋白石型大孔/介孔氮掺杂碳微球及其制备方法

说明书

本发明提供了一种反蛋白石型大孔/介孔氮掺杂碳微球的制备方法，具体为：A)将F‑SiO₂纳米粒子进行洗涤，将洗涤后的F‑SiO₂纳米粒子、水、非极性溶剂和乳化剂混合，得到反相乳液；将所述反相乳液静置，得到F‑SiO₂胶体晶体微球；B)将丙烯腈和丙烯腈/引发剂混合液中的一种注入F‑SiO₂胶体晶体微球，并引发丙烯腈聚合，得到聚丙烯腈/F‑SiO₂复合微球；C)将所述聚丙烯腈/F‑SiO₂复合微球依次碳化、刻蚀，得到反蛋白石型大孔/介孔氮掺杂碳微球。本申请制备的反蛋白石型大孔/介孔氮掺杂碳微球具有丰富的介孔、大孔孔隙和较多的N活性位点，在吸附分离、新能源技术和环境污染治理等方面具有潜在的应用。

技术领域

本发明涉及无机非金属材料合成技术领域，尤其涉及一种反蛋白石型大孔/介孔氮掺杂碳微球及其制备方法。

背景技术

多孔碳材料因化学稳定性高、导电性好、价格低廉等优点受到广泛的关注，可应用于吸附分离、催化、载体和电化学储能等多个领域。

研究者对多孔碳材料的制备进行了诸多研究。相关文献(Lee J,Kim J,HyeonT.Advanced Materials,2006,18(16):2073-2094；Yang Y,Chiang K,Burke N.CatalysisToday,2011,178(1):197-205.)报道了在碳基质中引入多孔结构常常需采用特定的模板。根据模板的相态，可分为非固态的软模板和固态的硬模板。软模板法一般是利用表面活性剂形成的胶束作为致孔单元，可以直接合成有序介孔碳碳材料(Liang C,Hong K,GuiochonG A,et al.Angewandte Chemie International Edition,2004,43(43):5785-5789.)。硬模板法则是将碳前驱体与具有特殊结构的固体硬模板相结合，经过碳化形成碳基体后，再除去硬模板，即得到相应孔结构的多孔碳材料；例如：200nm实心的SiO₂纳米粒子通过自然沉降法组装成胶体晶体块材，以此为模板，将苯酚和甲醛灌注其中，引发二者聚合形成交联酚醛聚合物作为碳源，再经过碳化、刻蚀SiO₂纳米粒子的过程，可制备得到具有贯穿连续均一大孔的碳材料(Yu J S,Kang S,Yoon S B,et al.Journal of the American ChemicalSociety,2002,124(32):9382-9383.)。

在软模板法中，软模板的形成一般需要在碳材料合成体系中原位生成，其形成条件以及孔结构类型非常受限；而硬模板法则可事先根据需要独立合成硬模板，其种类和结构设计的多样性和制备的便捷性较软模板法有很大的优势，因此硬模板法在多孔碳材料的制备中使用较为广泛。由模板致孔的原理可知，通过模板法制备的多孔碳材料，其孔结构将完全取决于模板的结构，因此，结构新颖硬模板的设计制备是多孔碳材料开发的关键。

按照国际纯粹化学与应用化学联合会(IUPAC)的定义，根据孔径尺寸，多孔材料可以分为三种：大孔(50nm)，介孔(2～50nm)和微孔(2nm)。受限于模板的结构设计，目前多孔碳材料大多表现为单一孔径结构。例如胶束软模板法中，胶束的尺寸一般为50nm以下，因此形成的孔结构一般为分散的均一介孔结构。固体硬模板的尺寸一般都大于50nm，因此得到的多为大孔碳材料。单一的孔尺寸有时会给多孔材料的应用带来一定的局限性。为使多孔材料能够兼具良好的通透性、较大的孔容积以及较高的比表面积，往往需要在碳材料中同时引入大孔和介孔等多层次的孔结构，这对模板材料的设计提出了新的要求。