[发明专利]一种新型无硅有序多级孔炭材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种新型无硅有序多级孔炭材料的制备方法及其产品，所述的制备方法包括：以酚醛树脂为碳源，以碳酸钙纳米颗粒作大孔模板，以表面活性剂F127形成的胶束为介孔模板，通过溶剂挥发诱导自组装法，在氮气氛围下程序升温碳化，经去除模板干燥后得到多级孔炭材料，大孔直径约50‑80nm，介孔约为2‑10nm，这种方法可以通过改变碳酸钙粒径和控制酚醛树脂和F127的比例来有效调控炭材料内部结构，可用作水中有机污染物的吸附领域。本发明原材料价格便宜，合成工艺流程简单，对工艺要求不高，同时操避免使用有害的氢氟酸来去除二氧化硅模板,合成程序是更环保。

技术领域

本发明涉及一种新型无硅有序多级孔炭材料及其制备方法，属于炭材料制备技术领域。

背景技术

多级孔炭材料是以炭素为主体骨架，具有两种及两种以上的孔贯穿于内部的炭材料。这类材料除了一般炭材料所具有的高导热导电性能和化学稳定性外，还具有较大的比表面积和孔隙结构及短程的扩散路径，有利于物质的传输与扩散。

介孔碳拥有较高的比表面积、较大的孔容和较窄的孔径分布，而且具有优良的疏水性，极好的耐酸、耐碱、耐腐蚀性能和化学稳定性，在分离、吸附有机大分子具有潜在的应用价值；大孔碳具有优良的通透性，可以为大分子提供低阻通道，迅速的运输溶液到达吸附剂内部。大孔和介孔两种孔径的结合，形成相互连通的孔隙结构，使得大孔-介孔碳材料同传统的单级孔道多孔碳相比优势非常明显，可以克服传统的单级孔碳孔结构单一、客体分子的扩散程过长等缺点，有利于生物大分子、高聚物的流通与运输，最大程度提高吸附剂内表面的可达性，解决吸附过程中的传质难题，提高吸附速率，同时在催化载体、传感器、吸附、电导材料以及生物化工等方面有着良好的应用前景。

传统的制备多孔碳的方法有物理化学活化法、催化活化法、聚合物混合碳化法和有机凝胶碳化法等，但是这些方法得到的多孔碳材料孔径小并且分布不均匀，很难满足实际生产的需求。模板碳化法在多孔碳材料的制备研究中非常活跃，其特点是可以获得孔径单一并且尺寸可调的有序孔结构，可以分为硬模板和软模板法。大多数都在使用硬模板路线,即用氧化硅等作为主体材料,有机前驱体经过在其中聚合、碳化及脱除硬模板等步骤得到有序多孔碳。硬模板法一直在不断改进,但是氧化硅的使用与脱除都不可避免,无形中增加了制备周期与成本,并且对资源也是一种很大的浪费，很难投入到工程中应用，同时所用的氢氟酸对环境和人体健康造成巨大的危害。本发明使用碳酸钙纳米颗粒代替二氧化硅做为主体骨架，用稀盐酸去除碳酸钙得到多孔碳材料，避免使用有害的氢氟酸来去除二氧化硅模板, 因此合成程序更环保。

发明内容

本发明提出了一种新型无硅有序多级孔炭材料的制备方法，避免使用有害的氢氟酸来去除二氧化硅模板, 因此合成程序更环保，且原料价廉易得，方法简单，具有规模化生产的潜力。其具体技术方案如下：

一种新型无硅有序多级孔炭材料的制备方法，以酚醛树脂为碳源，以碳酸钙纳米颗粒和三嵌段表面活性剂F127为两种孔径模板；通过对酚醛树脂和F127混合组装、碳酸钙模板浸泡、碳化、去模板后，即得到所述新型无硅有序多级孔炭材料。

作为优选的，所述制备方法具体包括如下步骤：

（1）将碳酸钙纳米颗粒分散于无水乙醇中，经搅拌、超声后，得到混合分散液，分散液经重力沉降后组装成碳酸钙模板；

（2）将酚醛树脂的乙醇溶液和F127的乙醇溶液混合，倒入培养皿中，将碳酸钙模板浸泡在培养皿中，一段时间后取出，置于烘箱中干燥，然后经过碳化得到炭材料；

（3）将所述的炭材料浸入稀盐酸，去除碳酸钙并清洗，得到大孔-介孔多级孔炭材料。

作为优选的，所述的碳酸钙的粒径约为50-80nm，F127形成的胶束粒径约为2-10nm。

作为优选的，所述的酚醛树脂的乙醇溶液浓度为20%wt，F127的乙醇溶液浓度4.76%wt，所需质量分别为4克和2.5克。