[发明专利]一种以多孔铜为模板制备多孔碳材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以多孔铜为模板制备多孔碳材料的方法，属于多孔碳材料的技术领域。

背景技术

多孔碳是一种多孔性含碳物质，具有高度发达的空隙结构。由于具有大的孔体积、大的比表面积和优良的导电性能，可在电极材料、催化剂载体、储氢材料、吸附分离等方面得到重要的应用，其高度有序的结构可以用来合成沸石分子筛和过渡金属氧化物，其较大的孔径适宜作为有机电解液超级电容器的电极材料，它特殊的孔道有序性有利于电解液离子在其中的嵌入和脱出，因此受到人们广泛关注。

目前多孔碳材料的制备方法包含催化活化法、聚合物碳化法、有机凝胶碳化法和模板法等。前三种方法制备的多孔碳材料孔径分布不均匀且大小难以控制，而模板法则克服了这一不足，能够在纳米水平上调控碳材料的孔结构，合成出高度有序、结构规则的多孔碳材料。采用硬模板法制备多孔碳材料的一般步骤：(1)制备或选择硬模板，一般是有序介孔分子筛和(铝)硅酸盐等；(2)将碳源前躯体引入到模板中，然后高温碳化；(3)通过酸或碱去除硬模板，得到有序结构的多孔碳材料。自Mobile公司的研究人员首次成功合成M41S系列有序中孔分子筛以来，各种不同的氧化硅中孔分子筛被相继合成出来，如MCM41，MCM48，SBA15， HMS，MSU，FDU等。其中，SBA15分子筛由于其特殊的孔道结构，成为制备有序中孔炭的最佳模板材料。

制备多孔碳材料的碳源有蔗糖、葡萄糖、乙烯、丙烯、糠醇、酚醛树脂、间苯二酚甲醛树脂以及含氮物质(如乙二胺和四氯化碳、苯胺、聚丙烯腈、乙腈等)。其中蔗糖价格低廉，制备的碳材料有序性好，是一种性价比较高的碳源；糠醇聚合后较易于碳化被广泛用于多孔碳材料的制备中。Jin Liu等将糠醇聚合得到聚糠醇并在550℃碳化得到多孔碳。制备的过程中加入三嵌段聚合物P123[(EO)20(PO)70(EO)20]作为模板，得到的多孔炭颗粒大小在25 nm~90 nm。李红芳等以商品化的酚醛树脂作为炭源，SBA15为模板制备有序中孔炭，发现通过改变酚醛树脂的浓度可以调整中孔炭的有序度和材料的比表面积，当酚醛树脂浓度为0.15g/ml时，中孔炭的有序性最高，比表面积达到最高值1017m²/g。

模板法在合成多孔碳材料的优势在于可以通过对合成条件的调节实现对碳材料孔结构及元素掺杂的调控，但也同样面临着成本偏高等方面的不足。无论是作为气体吸附材料还是电极材料，孔结构是关键因素，合适的孔径分布和比表面积是实现高的储氢量和高的电容值的决定因素。

经过检索发现目前利用模板法制备多孔碳材料采用的模板一般是有序介孔(铝)硅酸盐和分子筛等材料的报导。尚未发现将金属(氧化物)与碳源相结合制备多孔碳材料的论文或专利。

发明内容

本发明目的在于提供一种以多孔铜为模板制备多孔碳材料的方法，该方法过程简单，可控性好。所制备的多孔碳材料具有良好的孔隙结构。

本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种以多孔铜为模板制备多孔碳材料的方法，其特征在于包括以下过程：

（1）将厚度为20~50μm的Cu₃₀Mn₇₀条带置于浓度为0.02-0.2M稀盐酸溶液中进行自由腐蚀除去Mn，然后将条带置于去离子水中清洗以去除腐蚀液至中性，再经温度60-80℃真空干燥1-2h，制得纳米多孔铜（NPC）；

（2）将步骤（1）制得的纳米多孔铜置于浓度为0.5-1mol/L的对甲苯磺酸乙醇溶液中浸渍1-2h后，用乙醇洗涤表面多余的对甲苯磺酸溶液，将孔内含有对甲苯磺酸的纳米多孔铜放置在真空干燥箱中，于温度60-80℃下保温1-3进行干燥；

（3）将步骤（2）制得的孔内含有对甲苯磺酸的纳米多孔铜放置在盛有质量分数为20%-95%糠醇的水溶液中，采用真空机械泵进行抽滤，使纳米多孔铜中充满糠醇碳源；

（4）将步骤（3）制得的充满碳源的纳米多孔铜放入真空干燥箱中于温度80-100℃保温6-8h，然后升温至120-150℃保温6-8h进行初步碳化；

（5）重复步骤（3）和步骤（4）进行2次-3次，进行完全碳化；

（6）将步骤（5）制得的完全碳化的纳米多孔铜放入管式炉中，在200ml/min氩气氛围下，以5-10℃/min的升温速率升至700~900℃，保温1-3h，得到铜和碳的复合材料。

（7）将步骤（6）中制得的铜和碳的复合材料加入质量浓度为10%的氯化铁盐酸溶液中，浸泡2~3小时，制得多孔碳材料。