[发明专利]一种模板法调控孔径的中孔炭材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种模板法调控孔径的中孔炭材料的制备方法，属于电导材料技术领域。

背景技术

有序中孔炭材料是一类具有规则孔道排列、孔径在2~50nm，孔尺寸均一的炭材料。有序中孔炭材料具有比表面积适中和孔径分布窄的特点，并且具有电化学稳定性高、机械强度高和导电性良好的特点。不仅在分离、吸附有机大分子，而且在催化剂载体、超级电容器、电吸附除盐和电导材料等方面都具有良好的应用前景。

国际纯化学与应用协会将吸附剂的孔径分为：孔径W＞50nm的大孔；2nm<W＜50nm的中孔，W＜2nm的微孔。常规的物理活化法和化学活化法制备的活性炭主要以微孔为主

模板法是一种通过模板的方法在纳米尺度范围内控制炭前驱体的结构的方法，制得窄孔径分布且比表面积大的网状结构的炭材料。由于模板炭能够很好的控制孔径，使得其成为一种具有较好前景的吸附材料。普通活性炭应用于吸附领域时，微孔无法吸附大分子的有机物。在电吸附除盐领域，微孔会存在双电层重叠效应，无法在孔道内部形成双电层，因而大量微孔无法充分利用。另外在一些新兴的催化载体和双电层储能等领域也要求炭材料拥有发达的中孔。因此，中孔的调控是多孔炭材料制备的关键技术之一。

现已报道的关于中孔炭材料的制备方法主要有：（1）催化活化法：在前驱体中混入可溶性盐（如硝酸）、过渡金属或稀有金属化合物，然后进行活化，利用高温下元素对炭的气化过程的催化作用达到扩孔的目的，但制得的中孔炭不可避免地存在金属残留；（2）致孔剂法：选择两种具有不同热稳定性的聚合物，充分混合，聚合，再对混合聚合物进行炭化。在高温处理时，一种称为原始形状未改变的炭骨架，另一种分解为气体离开基体，从而形成中孔结构；（3）高温重整法：对现有的多孔材料进行物理活化、化学活化或联合活化，使改性后的孔径分布更为均匀，通常对孔径的分布改变幅度不大。

发明内容

本发明的目的是提出一种模板法调控孔径的中孔炭材料的制备方法，简化中孔碳的制备工艺，降低制备成本，以利于大量制备出结构有序（单一孔径）、孔径可调的中孔炭。

本发明提出的模板法调控孔径的中孔炭材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）在室温下，将聚醚P123（聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯）溶解于盐酸溶液，盐酸的摩尔浓度为2～5摩尔/升，使溶液温度上升到40～60℃，加入三甲基苯连续搅拌2～5小时，然后加入正硅酸乙酯搅拌10～20分钟，制作好的混合液在室温下老化24～48小时，将混合液过滤，用水和低碳醇清洗后，在600~900℃下煅烧，煅烧时间为2～4小时，得到中孔氧化硅球模板剂；

（2）将苯酚按摩尔比（10～12）:1的比例缓慢加入到摩尔浓度为2～5摩尔/升的氢氧化钠溶液中，并加温至40℃，使苯酚溶解，将摩尔浓度为10摩尔/升～12摩尔/升的甲醛溶液滴入，使苯酚与甲醛的摩尔比为1:（1～3），混合液在60～80℃搅拌反应1小时，冷却至室温后，用盐酸溶液调整混合液的pH值为7.0，在50～70℃下于真空中使混合液脱水，得到酚醛树脂；

（3）将聚醚F127（聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷）溶解于低碳醇中，加温至40℃溶化，加入步骤（2）得到的酚醛树脂，使聚醚F127与酚醛树脂的质量比为1:（1～2），搅拌均匀后加入步骤（1）得到的中孔氧化硅球模板剂，使中孔氧化硅球模板剂与酚醛树脂的质量比为（0.2～1）:1，于40℃下搅拌1小时，将混合溶液超声处理15～30分钟，在40～70℃下，搅拌8～12小时，在105～130℃加热24小时，得到酚醛树脂/氧化硅复合物；

（4）将步骤（3）得到的酚醛树脂/氧化硅复合物置入气氛炉中炭化，以2～5升/分钟的速率通入高纯氮气，以2～5℃/分钟的升温速率，将温度升至900℃，在900℃保持2～4小，随炉冷却至室温，得到炭/氧化硅复合材料；

（5）将步骤（4）得到的炭/氧化硅复合材料，研磨至粒径范围在50~100目，将炭/氧化硅复合材料颗粒放入摩尔浓度为5～10摩尔/升的氢氟酸溶液中，在50～60℃下水浴浸泡24小时，过滤分离出炭颗粒，用去离子水洗涤，干燥后即得中孔炭材料。

本发明提出的模板法调控孔径的中孔炭材料的制备方法，其优点是：

1、本发明中提出了一种基于模板法制备单一孔径的中孔炭的方法，制备原料为市售商品，容易获得。制作过程简单、操作方便，可以获得常规活化法无法制得的单一孔径中孔炭材料。

2、在超声振荡条件下，使酚醛树脂充分的进入中孔氧化硅球的孔道内，炭材料的孔径分布和孔容可以通过改变模板剂与酚醛树脂的比例来控制。