[发明专利]一种3D多孔螺旋多面体材料、制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种3D多孔螺旋多面体材料，该3D多孔螺旋多面体材料中具有微孔、介孔和/或大孔，所述3D多孔螺旋多面体材料的结构单元为2D碳纳米片。本发明还提供了上述3D多孔螺旋多面体材料的制备方法。本发明的原料和前驱体常见易得，合成的3D多孔螺旋多面体材料具有类似于螺旋二十四面体的碳结构，比表面积高达2034.2m²/g，制备过程不复杂，制备条件不苛刻，利用简易的一步合成法，通过控制压强即可烧制出3D多孔螺旋多面体，可以预见的是，本发明的3D多孔螺旋多面体材料在大分子催化、吸附和分离领域中会有广泛的应用。

技术领域

本发明属于多孔材料技术领域，具体涉及一种3D多孔螺旋多面体材料、制备方法及应用。

背景技术

石墨烯在二维形式时被认为是最坚固的材料，研究人员一直希望能够在三维材料中利用其二维形式下的坚固强度，他们通过施加热和压力，将石墨烯小薄片按压在一起，制造出了一种复杂稳定的结构，并将该结构名为“螺旋二十四面体”，该结构类似珊瑚和硅藻类生物的结构，表面积相对体积很大，密度仅为铁的5％，该结构的坚固程度为铁的10倍以上，是迄今最轻质坚固的材料之一。研究人员还用3D打印机，模拟其结构并放大，制造出扩大了数千倍的类似结构，并对其进行测试，证明了其优异的力学性能。

该结构的优异性能主要源于这一独特的构造而非材料本身，这意味着如果能将其他材料也制成同样的几何形状，就可以获得同样强度的轻质材料，然而，用传统方法和石墨烯难以制造出该种结构，因此，尚需开发一种新的材料和制备方法。

发明内容

为解决现有技术中，无法用传统方法和石墨烯制备螺旋二十四面体的问题，本发明的目的之一是提供一种3D多孔螺旋多面体。

本发明的目的之二是提供上述3D多孔螺旋多面体的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种3D多孔螺旋多面体材料，所述3D多孔螺旋多面体材料中具有微孔、介孔和/或大孔，所述3D多孔螺旋多面体材料的结构单元为2D碳纳米片。

优选地，所述2D碳纳米片的厚度为1～12nm。

优选地，所述3D多孔螺旋多面体材料的比表面积是400～2500m²/g。

优选地，所述3D多孔螺旋多面体材料的孔体积为0.1～1.5cm³/g。

优选地，所述3D多孔螺旋多面体材料中微孔的孔径小于1nm。

上述3D多孔螺旋多面体材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将酒石酸和前驱体加入溶剂中，搅拌溶解；

(2)将步骤(1)所得溶液加热搅拌至溶剂蒸发完全并烘干；

(3)研磨步骤(2)所得固体混合物，并将研磨后的固体混合物置于惰性气体保护的管式炉中加热碳化。

优选地，步骤(1)所述前驱体包括氯化铵、氯化锌、氢氧化钾、氢氧化钠和磷酸中的至少一种，所述溶剂为去离子水。

进一步优选地，步骤(1)所述前驱体为氯化铵。

优选地，步骤(1)所述酒石酸、前驱体和溶剂的质量比为(1：1：15)～(1：1：50)。

进一步优选地，步骤(1)所述酒石酸、前驱体和去离子水的质量比为1：1：15。

优选地，步骤(2)所述加热的温度为70～80℃，所述烘干的温度为70～80℃，烘干的时间为10～15h。

进一步优选地，步骤(2)所述加热的温度为75℃，所述烘干的温度为75℃，烘干的时间为12h。

优选地，所述惰性气体为氩气或氮气。