[发明专利]一种载铁有序介孔碳材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有序介孔材料制备方法，特别是一种载铁有序介孔碳材料的制备方法。

背景技术

有序介孔碳材料由于其规则的孔道，较大的比表面积、均一的孔径及高稳定性，在许多高新技术，如燃料电池、催化剂载体、传感器、膜分离等领域具有重要的应用价值。为了进一步扩大有序介孔碳的应用范围，在介孔碳基体中负载金属(氧化物)纳米晶，形成介孔碳基复合材料的研究已经引起科研人员的极大重视。介孔碳基复合材料由于其同时具有介孔碳规则的孔道及负载金属(氧化物)纳米晶特有的性质而显示出很多显著的性能，如有序介孔碳基体中负载Pt后，是良好的电极材料，可以制备高效的催化反应电极，应用于能量转换与转化器件(燃料电池)中；另在有序碳表面负载Ni后，显示出良好的磁性能，可以拓宽碳材料在磁浮选及磁催化领域的应用。目前，在有序介孔碳表面负载金属主要采取三种方法。(1)后浸渍法：即通过浸渍的方法将金属粒子引入已制备好的介孔碳材料的骨架中。但该方法所得介孔碳基复合材料的金属负载量较低、金属颗粒生长得较大，且过程难以控制；(2)纳米共浇铸法：它是以预先制备好的有序介孔氧化硅为硬模板，将一定量的碳的前驱体及金属前驱盐溶液注入介孔氧化硅的孔道中，接着在惰性气氛下高温碳化，最后脱去氧化硅模板。该方法虽然能在一定程度上利用介孔氧化硅孔道的限域效应限制金属纳米粒子的生长，但步骤较繁琐；(3)软模板法：这是近两年出现的合成有序介孔碳负载金属(氧化物)纳米晶的新方法。该方法采用自组装原理，在酸性条件下使碳源前驱体(酚类和醛类)和金属(氧化物)前驱体在非离子表面活性剂周围自组装，经碳化得到有序介孔碳负载金属(氧化物)纳米晶的有序介孔碳复合材料。该方法与前两种方法相比具有过程简单，适于工业化生产的优点。目前，人们采用该方法已经制备出了有序介孔碳负载TiO₂[R.Liu，Y.Ren，Y.Shi，F.Zhang，L.Zhang，B.Tu，D.Y.Zhao.Chem.Mater.20(2008)1140]、Ir[P.Gao，A.Wang，X.Wang，T.Zhang.Chem.Mater.20(2008)1881.]和Ru[P.Gao，A.W.Wang，X.D.Wang，T.Zhang.Catal.Lett.125(2008)289.]复合材料。尽管目前采用软模板路线合成有序介孔碳负载金属(氧化物)的研究取得了一定的进展，但现有的方法在制备过程中均需要外加一定比例的无机酸，用来催化碳源前驱体的缩聚反应，制备过程仍然较为复杂。此外，由于纳米金属铁具有优良的磁性能和化学活性，在催化、分离和环境污染修复等领域有着重要的应用价值，而目前关于载铁有序介孔碳的合成还未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种在不外加任何酸的条件下，利用合成体系铁盐前驱体水解产生的酸来催化酚醛缩聚反应，经软模板路线合成的具有高度有序结构，较大比表表面，均一孔径分布，且容易操作的载铁有序介孔碳材料的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，载铁有序介孔碳材料的制备方法，其特征是通过以下步骤完成：

(1)室温下，将铁盐前驱体融解在水/有机溶剂混合液中，得到溶液A，同时，将非离子表面活性剂和苯酚类物质混合溶解在水/有机溶剂混合液中，得到溶液B；

(2)将溶液A缓慢加入到溶液B中，搅拌混合，反应得深紫色溶液，反应时间为1～5小时；

(3)将甲醛溶液加入(2)步骤的混合液中，搅拌2-4小时使甲醛和苯酚类物质充分聚合，停止搅拌，混合液分为两层，上层为水相，下层为有机相；

(4)将所得两相混合液静置老化60～96小时后，弃去上清液，下层有机相搅拌8-12小时形成粘稠液体，经低温固化，所得固体产物铁酚醛树脂-非离子表面活性剂复合材料于惰性气氛下低温焙烧去除非离子表面活性剂，再经高温碳化处理得到载铁有序介孔碳材料。

上述第(4)步骤中所述低温固化温度为85℃～105℃，时间为12～48小时。

上述第(4)步骤中所述惰性气氛可以是氮气，也可以是氩气。

上述第(4)步骤中所述含铁酚醛树脂-非离子表面活性剂复合材料低温焙烧去除表面活性剂的温度为350～500℃，升温速率为1～5℃/分钟。进行高温碳化的碳化温度为700～900℃，焙烧2～3小时，升温速率为1～5℃/分钟。

本发明中所用苯酚类物质为间苯二酚或间苯三酚中的一种；优选间苯二酚。

本发明中所用水/有机溶剂混合液中的有机溶剂选自醇类，为甲醇或乙醇的一种，优选为乙醇。