[发明专利]基于聚偏氯乙烯-聚苯乙烯嵌段共聚物的三维多级多孔炭的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及多级多孔炭材料的制备方法，尤其涉及基于聚偏氯乙烯-聚苯乙烯嵌段共聚物的三维多级多孔炭的制备方法。

背景技术

多孔炭材料具有发达的孔隙结构、优异的吸附和电化学等特性，广泛用于吸附分离、催化剂负载、电发生或储存设备(如超级电容器、锂电池等)电极的制备等。按照国际理论化学与应用化学联合会(IUPAC)的规定，多孔炭中的孔隙按孔径大小可分为三类：微孔（＜2nm）、中孔（2～50nm）和大孔（＞50nm）。多孔炭中不同孔径的孔隙具有不同的作用。孔径小于2nm的微孔因数目多，比表面积大，所以对气体分子、小分子液体或直径较小的离子具有强的吸附作用。孔径在2～50nm范围内的中孔又叫介孔，主要起输送被吸附物质使之到达微孔边缘的通道作用、及吸附分子尺寸较大吸附质的作用。因此，中孔发达的多孔炭可用于负载催化剂及吸附分离分子尺寸较大的物质，随着所负载的化合物的不同而具有不同的功能。孔径大于50nm的大孔则主要起输运通道的作用。纯粹的微孔炭、中孔炭或大孔炭，很难达到炭材料在某一方面的最优性能。因此，同时具有微孔、中孔和/或大孔分布的多孔炭材料，即多级多孔炭的研究引起了许多研究者的注意。将多孔炭的单一孔结构扩展为多级孔结构，通过调节多种尺寸孔结构的比例，可从中选出性能最优的多孔炭，对于未来的实际应用有重要的意义。

传统的多孔炭材料，主要通过有机炭前驱体的高温热解、物理和化学活化制备得到，往往存在表面有缺陷、高温处理或石墨化过程中多孔结构易坍塌等不足，影响多孔炭的性能。为了克服这些不足，研究者开发了许多新的多孔炭制备方法，包括：(1)物理或物理/化学深度活化法；(2)包含易热解组分和加热炭化组分的炭前驱体的碳化；(3)金属、金属氧化物或有机金属化合物催化活化法；(4)碳化气凝胶或晶体凝胶法；(5)对包含预合成的硬模板炭前驱体碳化并消除模板法；(6)直接碳化含自组装或相分离软模板的炭前驱体法。虽然多孔炭材料的制备方法层出不穷、各具特色，但通过催化剂或致孔剂作用在炭基体上形成孔隙是主要途径，如活化法是利用无机或有机催化剂与炭前驱体反应，形成孔隙；溶胶-凝胶法通过超临界等特殊的干燥过程在保证炭前驱体结构完整性的同时使溶剂脱出，从而在炭前驱体中留下相应的孔隙，其本质是利用水或有机溶剂作为致孔剂；无机模板法是通过化学试剂溶解无机模板，并在炭基体中留下相应的孔隙结构。炭前躯体结构、催化剂或致孔剂的结构和含量、制备工艺等是影响多孔炭的结构和性能的重要因素。

偏氯乙烯(VDC)聚合物可以不经活化就制得以微孔为主的多孔炭材料，因此近年来受到很多研究者的关注。Lamond等在700℃、800℃炭化VDC树脂(商品名Saran树脂)，得到孔径为0.62nm和0.8nm的炭分子筛。同时，一些专利也报道了由VDC聚合物制备具有微孔炭和微孔炭分子筛的技术。薛立新等(中国发明专利CN102505188A)报道使用聚偏氯乙烯为基体制备活性碳纤维的办法，可以无需活化直接制备具有微孔活性的碳纤维。宋勤华等(中国发明专利CN102389827A)报道使用偏氯乙烯-丙烯腈共聚物微球作为前体，制备了一种用于去除气体中微量卤化物的吸附剂，由于微球型复合材料的独特结构，有利于吸附过程的传质和传热，同时也有利于吸附活性位-金属银颗粒的分散和稳定，制备的吸附剂具有极高的效率。