[发明专利]一种自掺杂原子的多孔材料的制备方法

说明书

本发明属催化和新能源材料制备技术领域，针对传统方法制多孔材料中的死孔和闭孔连通不畅、活性位和表面利用率偏低，不便于客体分子的快速扩散传输、快速反应和及时脱离的问题，提供一种自掺杂原子的多孔材料的制备方法，用冷冻膨胀液浸泡前驱体，密封包装并冷冻，前驱体的体积膨胀撑裂孔壁；干燥除水，用填充物溶液浸泡，干燥得填充好的前驱体；惰性气氛中加热处理，洗涤除去填充物，干燥后为自掺杂原子的多孔材料。保留自身所含的杂原子实现自主掺杂，得到海绵状孔系、活性位可得率高、表面利用率高的多孔材料，本方法原料广泛、工艺简单、绿色环保、成本低、产率高，所得材料以微孔和介孔为主，便于客体分子的耦合传质和反应。

技术领域

本发明属于催化和新能源材料制备技术领域，具体涉及一种自掺杂原子的多孔材料的制备方法。

背景技术

多孔材料具有大的比表面积和孔容、可调的孔径和表面官能团，其中炭材料在催化、气体吸附、锂离子电池、电化学储能等领域有广阔的应用前景，主要采用硬模板和软模板法将有机前驱体炭化并除去模板的方法制备，近年来还有通过热解不同的生物质等方法制备炭材料。

能够获得的现有技术包括：（1）以树脂类为前驱体合成的多孔材料，相关的专利申请包括密胺树脂(2018102621620)、酚醛树脂(2013107478109，2019101092889)、离子交换树脂(2016106339865)、PVDC树脂(2019108648161，2019108647879)、糠醛糠醇改性树脂(2018115424796)、脲醛树脂(2019105564249)、环氧树脂(2016105512325)、吸水树脂(201910692146X)；(2)以生物质为前驱体合成的炭材料，相关专利包括花瓣（201610977518X）、蜂窝(201710594052X)、蚕沙(201810028108X)、泥炭藓(201910215596X)、棉花(201911347871,2019104819734)、紫菜(2013102587612，2017102079717)、植物纤维(2013102924071)、柳絮(2014101369348)、卤虫卵壳(2015108469905)、花生秸秆(2015108586472)、杨絮(2016102393269)、木耳(2016103779083)、果渣(2016104739083)、蜗牛(2016104922411)、细菌纤维素(2016111028550)、广玉兰树叶(2017100934132)、壳聚糖(2017101438036，2019111878718)、贫煤煤沥青秸秆(2017102868224)、柚子皮(2017103842005)、细菌降解的木质素(2017104555402)、发酵豆渣(2017106999751)、杨梅(2017111441694)、凤眼莲(2017112431952)、麻类生物质(2018101133884)、猪粪(2018101223927)、鹿粪(2018101235943)、梧桐叶(2018101796505)、丝瓜藤(2018102817602)、绿豆皮(2018106999120)等。

上述技术所得材料中存在很多死孔和闭孔，不能被客体分子有效利用，降低了整个孔系的传质效率，难以满足当前耦合传质和工程强化的应用需求。如何打通这些利用率低的孔道，提高它们与孔系的连通性，直至优化整个孔系，在这一技术上尚面临很多挑战。

上述技术一般要引入氢氧化钾、氢氧化钠等作为活化剂直接在高温下活化，难以打通死孔和闭孔，也没有在孔系内形成有效支撑，孔壁受热大幅收缩之后依然是死孔和闭孔，前驱体自身孔系萎缩甚至失效；同时活化剂刻蚀前驱体创造新的孔道，这一过程实质上削弱了孔壁，加剧了自身孔系的收缩，既破坏了原生孔系，又降低了产率。虽然比表面积可以达到3000 m²/g，但是孔道连通性差和利用率依然偏低，从实际应用效果来看，相关应用性能并没有随着比表面积的增加而成比例增加，某些性能甚至不升反降。

发明内容