[发明专利]一种制备有序多孔炭膜的基质诱导法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有序多孔炭材料的制备方法，特别是涉及一种制备有序多孔炭膜的基质诱导法。本发明给出的制备有序多孔炭膜的基质诱导法包括有机前驱体的选择、成膜溶液的配置、自组装和基质诱导成膜、干燥和热解过程而得到的具有规则有序多孔结构的炭膜制备技术，属于多孔炭制备与应用的技术领域。

背景技术

材料的微观结构决定了宏观性能，而性能则决定了其应用。因此，研究材料的结构与性能关系被列为二十一世纪四大化学科学难题之一[徐光宪.科学通报，2001，46(24)：2086-2091.]。多孔炭可广泛用于水和空气的净化、气体分离、催化、色谱、能量储存等领域[Francisco RR.Carbon.1998，36：159-175；Petro M，Belliardo F，Novak I，et al.J.Chromatogr.B，1998，718：187-192；陆安慧，郑经堂，王茂章.化工进展，2001，4：12-18]。控制孔结构参数指标是多孔炭制备与应用的核心问题。根据IUPAC规定，多孔炭可分为微孔炭(孔径小于2nm)，大孔炭(孔径大于50nm)和介孔炭(孔径介于2～50nm)[Sing K S W，Everett DH，Haul R A W，et al.Pure Appl.Chem.，1985，57(4)：603-619.]。人们可通过物理活化法，化学活化法，催化活化法、有机凝胶炭化法，化学气相沉积法和模板法等技术对多孔炭微观结构，性能及形貌进行制备与调控[He HZ，Srinivasan MP，Yaming N.Carbon，2001，39：877-886；Kyotani T.Carbon，2000，38：269-286]。然而，传统多孔炭的蠕虫状无序孔道结构孔径分布较宽，虽可满足气体吸附与分离及催化剂载体等方面的要求，但对某些需要具备特定孔隙结构材料的领域显得无能为力[Mariwala R K，Acharya M，Foley H.Micropor.Mesopor.Mater.，1998，22：281-288；Steel K M，Koros W J.Carbon，2003，41：253-266]。随着具有规整孔道结构有序多孔结构炭的出现，人们发现通过对其孔壁进行化学改性，可赋予其特定功能；也可在其孔内制备异质复合体用于功能器件的研究；另外，也为物质间相互作用，能量转移，极端条件下物质的行为等基本问题的研究提供了模型物。所以，有序多孔炭材料的研究对于化学工业，信息通讯，生物技术，环境能源等领域具有极其重要意义[Inagaki M，Radovic L R.Carbon，2002，40：2263-2284；Kowalewski T，Tsarevsky N V，Matyjaszewski R.J.Am.Chem.Soc.，2002，124：10632-10633]。

由于模板法制备有序多孔结构的成功率高且效果好，该法已成为当前制备有序多孔炭材料的主要方法。按照模板种类，模板法可分成硬模板法和软模板法。硬模板法通常是采用硅类或沸石等(如MCM-48，SBA-1，SBA-15，KIT-1，MSU-1，X型沸石，Y型沸石，A型沸石，ZSM-5型沸石，Beta型沸石等)多孔物质作为模板，将含碳前驱体或预聚体引入模板孔道内，制得复合物，再经聚合、干燥、炭化和脱模板等过程，得到有序多孔炭材料[Cai M，Hu Q，Lu Y，et al.美国专利，USP7824646，2010；周颖，邱介山，余桂红，等.中国发明专利，申请号200610134271；何建平，狄志勇，王道军，等.中国发明专利，申请号200810236269；赵东元，孙锦玉，周亚明，等.中国发明专利，ZL01126539.6]。而软模板法则是采用有机物作为模板，其与含碳前驱体进行有机-有机自组装形成空间互穿有序结构，再经干燥和炭化等步骤，得到有序多孔炭[Dai S，Liang C.美国专利，USP20060057051，2006]。通过改变制备工艺条件可以调整孔结构参数，如孔径、孔壁厚度、比表面积和孔体积等[张俊勇，邓勇辉，魏晶，等.中国发明专利，200910047017，2009.]。与硬模板法相比，软模板法中的模板剂通常会在炭化后自行分解掉或者转化成炭，而省去脱除模板步骤。因此，软模板法工艺相对简单，制备周期短。但软模板法通常采用昂贵的特定模板剂(如三嵌段共聚物P123和F127等)，使得该法的实际造价仍然较高。