[发明专利]一种层次孔碳材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及有机多孔材料领域，尤其涉及一种层次孔碳材料及其制备方法与应用。通过采用三氯(4‑氯甲基苯基)硅烷对SiO2纳米球进行表面改性,得到表面含苄基氯化学官能团的R‑SiO2模板剂。随后,以DCX‑为自交联功能单体在R‑SiO2表面原位超交联反应得到R‑SiO2@DCX，去除R‑SiO2@DCX‑的‑SiO2纳米球模板后制得HPP，最后进行高温碳化处理得到HPC。本发明制备了含苄基的SiO2反应性模板剂，借助反应性模板剂诱导原位超交联反应制备出同时具有微孔‑中孔‑大孔的层次孔材料，其制备的层次孔碳材料样品结构稳定，且具有较好的较好吸附性能和电容性能。

技术领域

本发明涉及有机多孔材料领域，尤其涉及一种层次孔碳材料及其制备方 法与应用。

背景技术

层级多孔材料具有高比表面积、高孔隙率、良好的渗透性和高度有序的 孔道结构,同时具有微孔-介孔-大孔的层次孔材料因其多样化的孔道构造、 高比表面积、良好的化学稳定性等优良性能，在吸附、能源储存、超电容等 相关领域内广泛应用，逐渐成为研究人员关注的焦点。

层次孔碳材料的制备方法按照合成方式的不同可分为硬模板法与软模 板法。硬模板需要合成预定结构的模板，填充后交联碳化，洗去模板后可制 备得到层次孔碳材料。软模板法则是通过前驱体与聚合物发生自组装反应， 利用前驱体与聚合物之间的化学性质差异性，在高温下除去前驱体以形成孔 洞结构，而聚合物则成为碳制骨架。在碳化过程中作为碳前驱体的层次孔聚 合物，往往属于具有良好孔结构的多孔材料。

但是，传统硬模板法仍然有一些不足之处。在利用模板剂制备层次孔材 料时，传统的交联反应需要用到前驱体，与高分子通过共价化学键结合导致 制备过程略显繁琐，并且接枝程度取决于化学键结合程度。尽管聚合物之间 能够在催化条件下产生交联桥，但由于其彼此间化学结构存在差异，合成模 板的过程中容易产生非均相界面，使得制备出来的超交联聚合物易出现团 聚，分散性较差等现象，并且不稳定的交联结构还会造成后续碳化过程中骨 架坍塌，破坏材料内部孔洞结构，影响进一步的性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种层次孔碳材料的制备方法，其 制备的层次孔碳材料样品结构稳定，且具有较好的较好吸附性能和电容性 能。

本发明是这样实现的：

本发明首先提供了一种层次孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)R-SiO₂的制备

将SiO₂0.5g加入20ml干燥四氢呋喃THF与1.5g三氯[4-(氯甲基)苯 基]硅烷的混合物中；在N₂气氛中，将5.0ml干燥THF与1.2ml三乙胺混合 均匀，匀速加入上述体系中反应8h，接着在空气中反应18h；反应完成后， 产物用EtOH和THF洗涤至少3次，干燥；

(2)R-SiO₂@DCX的制备

在N₂氛围中，将R-SiO₂0.5g均匀分散在10ml二氯乙烷DCE后，干燥 FeCl_3-1.1-2.0g迅速加入其中搅拌均匀，将1.5g对二氯苯DCX溶解在10ml 二氯乙烷DCE，待反应体系升至70-90℃，将混合溶液加入三口烧瓶中，滴 加6h并保持反应18h；产物用去离子水洗涤，用去离子水、甲醇清洗至无 色，后用乙醚清洗3次，干燥。

(3)HPP和HPC的制备

配制10％HF，将R-SiO₂@DCX加入其中，保持磁力搅拌，转速为500rpm， 持续24h，洗去残余HF溶液，在60℃下干燥12h，得到层次孔聚合物HPP， 在管式炉中放入HPP，N₂吹扫速率为80-100ml/min，碳化温度为700-1000 ℃，碳化升温速率为210℃/min，碳化1-10h，得到层次孔碳材料HPC。