[发明专利]原位氮掺杂的超大孔径介孔碳材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种原位氮掺杂的超大孔径介孔碳材料及其制备方法，其孔径集中在17.4‑26.8nm之间，BET比表面为428‑984m2/g，孔容为0.72‑2.38cm3/g,氮元素含量为4.17‑4.63wt%，氮原子掺杂形式为吡啶氮、吡咯氮及季铵氮。制备方法是利用含氮的生物高分子壳聚糖作为碳源，正硅酸乙酯（TEOS）为硅源，商业化表面活性剂F127为结构导向剂，去离子水作为主溶剂，利用溶胶‑凝胶法，使壳聚糖与水解后的正硅酸乙酯结合成高聚合度的杂化材料，并与结构导向剂F127通过氢键作用自组装成介观结构，脱除模板后即得。本发明方法简单，原料易得，可调节孔径大小。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种原位氮掺杂的超大孔径介孔碳材料，同时还涉及该原位氮掺杂的超大孔径介孔碳材料的制备方法。

背景技术

超大孔径介孔（10-50nm）碳材料是近年来纳米材料科学研究的一个热点，它在生物传感器、大分子尤其是蛋白质分子的吸附分离、大分子药物载体的靶向输送等方面有着广泛的应用前景。由于这些应用领域对碳材料生物兼容性有较高要求的特点，使得所需超大孔径介孔碳材料不仅应具有较大的孔径、孔容及比表面积，而且也应是无毒无害、高生物相容性的材料，同时应有较好的亲水性，以提高其单分散性。氮原子的掺杂是改善碳材料亲水性的常用方法，包括原位氮掺杂和后处理氮掺杂。

中国专利公开号CN101153051A 2008年4月2日公布了一种发明名称为“一种具有超大孔径的有序介孔材料及其制备方法”，其利用具有超大分子量疏水嵌段的两亲性PEO-b-PS三嵌段共聚物作为结构导向剂，酚醛树脂作为碳前驱体，通过溶剂挥发诱导自组装，制备孔径在10-100nm之间的介孔碳材料, 其不足之处是PEO-b-PS三嵌段共聚物需通过实验室多步有机反应合成，极大的限制该方法的应用推广，且所制备的碳材料亲水性问题需通过后序处理得到完善。

中国专利公开号CN101823706A 2010年9月8日公布了一种发明名称为“一种具有超大孔径壁厚可控的有序介孔碳材料及其制备方法”，其利用具有超大分子量疏水嵌段的两亲性ABC三嵌段共聚物作为结构导向剂，酚醛树脂作为碳前驱体，通过溶剂挥发诱导自组装，制备孔径在10-100nm之间的介孔碳材料。但其亦使用实验室自制ABC三嵌段共聚物作为结构导向剂，酚醛树脂作为碳前驱体，同样没有解决中国专利公开号CN101153051A存在的问题。

最近，Mitome等人以F127作为结构导向剂，利用软模板法和溶剂自挥发技术相结合的方法，也制备出孔径在6.8-56nm之间的介孔碳材料。（TakahitoMitome,Porousstructure and pore size control of mesoporous carbons using a combination ofa soft-templating method and a solvent evaporation technique, Colloids andSurfaces A:Physicochem.Eng.Aspects 494(2016)180–185），虽然他们成功制备出超大孔径介孔碳材料，但是选用的碳源与上述专利公布的一样，仍然是酚醛树脂，所以整个反应过程中亦都是在有机溶剂中进行，不能从根本上满足制备过程环境友好、生物医药材料无有害残余的要求，且亲水性问题需通过后处理工序解决，很大程度限制了其在生物传感器、生物活性分子的吸附分离、大分子药物载体的靶向输送等方面的应用。因此，制备一种在原位合成超大孔介孔炭材料的同时实现原位氮掺杂不仅使制备的碳材料具有较大的孔径、孔容及比表面积，而且使制备的碳材料实现原料无毒无害、高生物相容性，同时具有较好的亲水性。可见，研制一种原位氮掺杂的超大孔径介孔碳材料及其制备方法是非常有意义的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺点而提供的一种方法简单，原料易得，可调节孔径大小的原位氮掺杂的超大孔径介孔碳材料。

本发明的另一目的在于提供该原位氮掺杂的超大孔径介孔碳材料的制备方法。

本发明的目的通过下述方法实现：