[发明专利]孔喉尺寸可调的胶体印迹碳CICs及其合成方法和应用

说明书

本发明公布了一种胶体印迹碳(CICs)，同时公布了在保持其多孔微观有序结构的基础上调控其孔喉尺寸的方法。该CICs表达式为：CIC‑X‑Y，其中，X为孔喉尺寸大小，Y为产品的孔径尺寸大小，X可在一定范围内调整。在确保不影响孔径、孔结构和元素组成的基础上，采用特殊工艺合成了不同孔喉尺寸的胶体印迹碳(CICs)，实现了对CICs孔喉尺寸的调控。研究发现，CIC孔喉尺寸的截面积与通道内离子扩散速度呈线性关系，因此调整孔喉尺寸对于材料得电学性能具有重要的正面影响；而且，本发明的提出的CICs的三维模型，与3D‑TEM观察到的三维结构相一致，且CIC材料的多孔性、形态和电化学性能之间有很好的一致性。

技术领域

本发明涉及一种碳材料的合成方法，具体涉及一种孔喉尺寸可调的胶体印迹碳CICs的合成方法及其应用，属于新型多孔碳材料技术领域。

背景技术

多孔碳是一种用途广泛的材料，可作为电化学能量存储和转换器件的电极来使用，常被用作微孔层(MPL)、气体扩散层(GDL)以及聚合物电解质膜燃料电池(PEMFCs)催化剂层(CL) 中的碳载体。此外，多孔碳还被用于制造超级电容器、电池和电解电池(如水电解电池)的电极。在多孔材料的制备过程中，对其孔径分布、孔隙率、形貌和孔隙网络的控制一直是研究的热点。

研究发现，限制电化学器件性能的主要因素之一是液体、离子和气体在多孔电极内的质量传输，这取决于多孔材料中的多孔网络结构。例如，许多建模研究对多孔介质中水和/或离子的转移进行了孔隙网络模拟，这些研究中的孔隙网络以大孔隙为特征，这些大孔隙通过孔颈或孔喉相互连接。

胶体印迹碳(colloid imprinted carbons，简写为CICs)是一种具有有序球形孔结构、高孔体积和比表面积的介孔碳载体，可被用作聚合物电解质膜燃料电池电极的碳载体等。由于CICs 具有理想的、有序的、可调的、均匀的多孔结构，许多基础研究都将其作为多孔碳载体的模型。

现有技术中，CICs的制备是将硅溶胶模板与中间相沥青(MP)和聚偏氯乙烯-共氯乙烯等碳前驱体混合，在印迹过程中，MP填充有序结构的二氧化硅颗粒之间的空隙，然后碳化并在强碱中溶解。这种方法可以通过选择相应粒径的硅溶胶来控制CIC的孔径，但所产生的孔是通过墨水瓶形状的孔喉连接的。这些孔喉形成于两个相邻球形孔之间的连接处，可以通过解吸分支的孔径分布来测量。进入大孔隙的通道受到小孔喉的限制，每个大球形孔隙有12个孔喉连接大孔隙，这些孔喉将限制液体(如水)、离子和气体通过CIC的大孔隙的运输。检测发现，孔喉的存在减缓了液体通过介孔二氧化硅的渗透速率，而且，当大孔隙与孔喉之间的直径差增大时，液体通过多孔介质的扩散电阻率增大。

在我们之前的工作中，亦发现CICs的孔喉尺寸对电池等整体性能具有较大影响，但目前尚无相关的研究，因此，对于CICs的孔喉调控研究是本领域的难点和重点。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种胶体印迹碳(CICs)，同时公布了在保持其多孔微观有序结构的基础上调控其孔喉尺寸的方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种孔喉尺寸可调的CICs，其表达式为：CIC-X-Y，其中，X为孔喉尺寸大小，Y为产品的孔径尺寸大小；当Y取值为50nm时，X取值为21-27nm，即孔喉尺寸可在此数值范围内调控；当Y取值为85nm时，X取值为28-33nm，即孔喉尺寸可在此数值范围内调控。

本发明主要公布了前述的孔喉尺寸可调的CICs的合成方法，包括如下步骤：

S1、将二氧化硅溶胶烘干研磨得硅粉，继续烘干；

S2、将不同浓度的正硅酸乙酯的乙醇分散溶液加入到干燥的二氧化硅粉中，搅拌均匀得到第一混合物；

S3、将第一混合物于50～80℃下烘干，冷却后于空气中暴露处理一段时间，然后再次烘干，得硅粉；该步骤可利用空气中水蒸气使TEOS水解，至关重要；