[发明专利]一种类齿轮状介孔炭纳米球材料、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种类齿轮状介孔炭纳米球材料的制备方法，包含以下步骤：将生物质与三嵌段聚合物加入到摩尔浓度为1.2～2.1mol/L的酸溶液中，于130～160℃温度下水热反应2～48h，获得类齿轮状介孔炭纳米球材料。该制备方法操作简单，可实现规模化生产。还公开了一种类齿轮状介孔炭纳米球材料。该尺寸小于200nm，且介孔率95％以上，特别适用于作为药物载体和催化剂载体。

技术领域

本发明属于炭材料领域，具体涉及一种类齿轮状介孔炭纳米球材料、一种类齿轮状介孔炭纳米球材料的制备方法，以及一种类齿轮状介孔炭纳米球材料的应用。

背景技术

在过去的几十年中，由于在催化、吸附、能源转化与储存等方面的广泛应用，炭材料的制备方法得到了长足发展。其中，介孔炭纳米材料由于具有独特的优势，包括纳米结构合适的介孔尺寸、高的比表面积、良好的化学和热力学稳定性，因而受到科学工作者的广泛关注，可以用来作为催化剂载体，吸附剂材料，超级电容器、燃料电池和锂离子电池的电极材料。一般来说，其合成方法主要可分为硬模板法和软模板法。硬模板法一般采用二氧化硅等作为模板剂，加入碳源形成介孔结构后再将模板除去。但是该过程制备的周期长，尤其是后期需要用到腐蚀性的酸(如HF)来除模板，存在安全隐患并且对环境和生物有害。另外，硬模板法形成的介孔炭结构受限于其模板剂的结构。结合以上原因，硬模板法无法大规模推广使用。而软模板法，制备周期短、过程简单、灵活，因此得到大力的研究和发展。

生物质是一种绿色、可再生碳源。同时其丰富的官能团结构利于其在催化等方面的应用。其他常用的碳源，如酚醛树脂、聚丙烯腈、聚苯胺等，都是具有一定毒性的物质，对操作者和环境都有害，考虑到绿色化学和可持续发展的要求，来源广泛的生物质原料(如草、纤维素、木质素、葡萄糖等)，引起了人们极大的兴趣。它们不仅可再生，价格便宜，而且碳的产率较高。

水热法是一种温和、易调控的方法，在水热生物质过程中能够很大程度上保留其官能团结构，因此水热炭材料具有广泛应用。然而目前通过水热法制备介孔炭材料还存在许多挑战。其中最主要的是目前报导的水热炭材料主要集中在微米尺度，尤其是小于200nm的介孔炭材料非常难于合成。

小于200nm的介孔炭材料难于合成的原因可能为：(1)碳源与模板间的相互作用较弱，无法得到稳定的胶束，特别是在高温(160～240℃)的水热条件下，更难于得到稳定胶束；(2)软模板本身在水热高温下的强烈变化，导致碳源无法在模板上成核生长或是形成大小形貌很不均一的结构；(3)碳前驱体的分解、聚合速率难以控制。

因此，迫切地需要一种制备方法，能够增强模板剂的稳定性，并调控生物质的分解、聚合速率，进而得到小于200nm的介孔炭材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种类齿轮状介孔炭纳米球材料，该类齿轮状介孔炭纳米球材料的尺寸小于200nm，且介孔率95％以上，特别适用于作为催化剂载体。

本发明的另一目的是提供一种类齿轮状介孔炭纳米球材料的制备方法，该制备方法通过一步合成法，通过控制酸的含量即可以获得类齿轮状介孔炭纳米球材料，因此，操作简单，可调控性强，可实现规模化生产。

本发明的另一目的是提供了一种类齿轮状介孔炭纳米球材料作为催化剂载体的应用。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

第一方面，提供了一种类齿轮状介孔炭纳米球材料，包括以下质量百分含量的组成：C 35～45％，H 3～6％，O 50～60％；其特征在于，所述类齿轮状介孔炭纳米球材料的表面呈锯齿状，尺寸小于200nm，介孔率95％以上。