[发明专利]高比表面积多孔碳纳米棒的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高比表面积多孔碳纳米棒的制备方法，属于碳纳米材料制备技术领域。

背景技术

多孔碳纳米材料化学稳定性、（水）热稳定性好，比表面积高，被广泛用于吸附、分离、催化剂载体、电化学等诸多领域。在多种碳纳米材料中，碳纳米棒因其优异的电化学性能在电池阳极材料方面有很大的潜在应用价值。然而，碳纳米棒的比表面积通常较小，且没有成熟并适合大规模生产的简易制备方法，严重制约了碳纳米棒的进一步应用。因此，研究开发高比表面积碳纳米棒的制备方法尤为重要。

目前，碳纳米棒主要采用两种方法制备：阳极氧化铝基可控生长法和介孔分子筛硬模板法。前者以阳极氧化铝（AAO）作模板兼催化剂，通过气相化学沉积方法来制备碳纳米棒阵列。AAO基底需要通过电化学方法制备，消耗大量电能，且AAO的存在，得到的纳米棒纯度较低，这种方法并不适合大规模生产应用（陈磊山，王存景，苗郁，陈改荣.阳极氧化铝模板为基底可控制备碳纳米棒，热加工工艺，2013,42(14):80-82）。而以有序介孔硅为模板则可以制备出纯度较高的有序碳纳米棒阵列，这种方法通常选用具有特殊孔隙的介孔硅材料作为模板，浸渍目标原料或前驱体使其在模板材料的孔道中发生反应，然后碳化并去除模板后得到有序结构材料的复制品。例如Ryoo课题组先后利用SBA-15、HMS、KIT-6浸渍蔗糖、酚醛、蔗糖，经碳化及移除模板后得到了有序碳纳米棒阵列CMK-3（Shinae Jun,Sang Hoon Joo,Ryong Ryoo,Michal Kruk,Mietek Jaroniec,Zheng Liu,Tetsu Ohsuna,Osamu Terasaki.Synthesis of new,nanoporous carbon with hexagonally ordered mesostructure,Journal of the American Chemical Society,2000,122(43):10712-10713）、CMK-8（Freddy Kleitz,Shin Hei Choi,Ryong Ryoo.Cubic Ia3d large mesoporous silica:synthesis and replication to platinum nanowires,carbon nanorods and carbon nanotubes,Chemical Communications,2003,9(17):2136-2137）。很明显，该方法经历介孔硅硬模板制备、碳源浸渍、碳化、硬模板移除等多个步骤，历时长、成本高，且硬模板法得到的碳纳米棒也是实心结构，比表面积很小。这些特点决定了硬模板法也不适合大规模生产，制备的碳纳米棒应用也非常受限。

最近，利用金属有机骨架含碳丰富及金属锌沸点低易在高温条件下被移除的特点，直接碳化含锌的金属有机骨架一步制备高比表面积的多孔碳纳米材料，被证明是一种行之有效的方法。例如在1000℃、惰性气体条件下直接碳化ZIF-8，制备出比表面积为1110m²/g的微孔碳（Watcharop Chaikittisilp,Ming Hu,Hongjing Wang,Hou-Sheng Huang,Taketoshi Fujita,Kevin C.-W.Wu,Lin-Chi Chen,Yusuke Yamauchi,Katsuhiko Ariga.Nanoporous carbons through direct carbonization of a zeolitic imidazolate framework for supercapacitor electrodes,Chemical Communications,2012,48(58):7259-7261）。Yang等在900℃、惰性气体条件下直接碳化IRMOF-1、IRMOF-3和IRMOF-8，得到比表面积分别为3174、1678和1978m²/g的多孔碳（Seung Jae Yang,Taehoon Kim,Ji Hyuk Im,Yern Seung Kim,Kunsil Lee,Haesol Jung,Chong Rae Park.MOF-derived hierarchically porous carbon with exceptional porosity and hydrogen storage capacity,Chemistry of Materials,2012,24(3):464-470）。

但是，目前碳纳米棒的制备方法均存在步骤繁琐、成本高、纯度低、比表面积小等不足。