[发明专利]一种原位聚合制备热塑性碳源/多孔核基复合材料的方法

说明书

本发明公开了一种原位聚合制备热塑性碳源/多孔核基复合材料的方法，是将多孔核材料、热塑性聚合物单体超声分散于甲醇中，室温下静置后加入核分散溶剂并混合均匀，然后在氮气保护、70~75℃下搅拌聚合12~14 h；产物经洗涤、干燥后与金属盐混合，并经高温煅烧，水洗，干燥，得到不同形貌碳壳层包裹多孔核的核‑壳结构复合材料。本发明通过原位聚合技术将热塑性聚合物在多孔核表面得到独立分散的聚合物，再通过加盐碳化技术，将金属盐掺入热塑性聚合物包裹多孔核基核‑壳型材料中，并在一定温度下使表面热塑性聚合物碳化，得到形貌稳定的多孔核基核‑壳型材料，在催化、电化学、吸附萃取、色谱固定相填料等领域具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种通过以热塑性聚合物为碳源在多孔材料表面原位制备多种形貌核-壳结构材料且防止碳材料进入多孔材料内部的方法，属于碳复合材料制备技术领域。

背景技术

碳材料广泛应用于废水处理、气体储存和分离、电极催化、超级电容器和电池制造等领域。碳源广泛存在于植物、动物、矿物、合成聚合物等。由于聚合物的多样性、独特的空间结构和易于操作的合成是最佳的碳源之一，因此被用作具有特定形貌的碳材料的碳源（碳材料的形貌基本上是从聚合物本身衍生出来的）。然而，90%的聚合物是热塑性聚合物，在高温碳化过程中会崩塌，这种现象严重阻碍了热塑性聚合物作为碳源的使用。此外，在选择聚合物作为碳源制备多孔核基核-壳材料时，均匀分散、碳壳层脱落及碳材料进入多孔核的内部是很难解决的问题。另外，传统的复合材料分为包覆型和嵌入型，但是两种类型均存在制备困难、步骤繁琐并且生产成本较高，难以规模化生产等一系列问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中制备多孔核基核-壳结构材料存在的问题，提供一种以热塑性聚合物为碳源在多孔核表面原位制备多孔核基核-壳结构材料的方法，以防止碳材料进入多孔材料内部。

一、核-壳碳材料的制备

将多孔核材料、聚合物单体超声分散于甲醇中，室温下静置40~60 min；再在混合体系中加入核分散溶剂并混合均匀，然后在氮气保护、70~75℃下搅拌聚合12~14 h；固体产物经洗涤、干燥后与金属盐混合，并在惰性气体保护下高温煅烧，水洗，干燥，即得不同形貌碳壳层包裹多孔核的核-壳结构复合材料。

所述多孔核材料为金属氧化物、无机氧化物、金属有机框架、共价有机骨架材料等。例如TiO₂、Fe₃O₄、ZrO₂、SiO₂、ZIF-8等纳米多孔材料。

所述聚合物单体为N-异丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺、乙二醇、乙烯吡咯烷酮、丙烯酸甘油酯等热塑性聚合物单体。

所述多孔核材料与聚合物单体的质量比为3:1~7:1；

根据聚合物单体的选择，可在混合体系中加入引发剂、交联剂。引发剂一般选择自由基型引发剂例如偶氮二异丁腈，引发剂的用量为聚合物单体质量的2~3 %；交联剂选择季戊四醇三丙烯酸甘油酯，交联剂的用量为聚合物单体质量的20~70%。

所述分散溶剂为与聚合单体和引发条件相匹配的溶剂，例如水、乙腈、甲醇 乙醇、N, N-二甲基甲酰胺、正己烷和苯等一种或两种的溶剂。分散溶剂有利于聚合单体在多孔核表面原位聚合且使得多孔核之间不会发生粘连现象。

所述金属盐为能在高温条件下有一个或者多个放热峰的盐类，如氯化钠、碳酸钠、硝酸钠、硫酸钠、氯化镍、氯化钴、碳酸镍等。多孔核材料与金属盐的质量比为2:1~5:1。

所述高温煅烧是在300~900℃下煅烧20~60 min。

所述烘干条件为70~80℃下烘干12~16 h。

二、核-壳型复合材料的结构表征