[发明专利]一种由碳化硅和碳材料构建的有序多孔材料及其制备方法

说明书

本发明涉及多孔材料及其制备方法，具体为一种由碳化硅和碳材料构建的有序多孔材料及其制备方法。其以碳材料为孔壁的圆筒形有序介孔和以碳化硅为孔壁的近正六方型介孔构成。其制备过程主要是包括，以硅烷化活化的分子筛SBA‑15为模板，以含碳前驱体为碳源，采用化学气相沉积（CVD）技术，使硅烷化SBA‑15孔壁沉积碳层，之后利用镁热还原技术使SBA‑15孔壁和沉积的碳层界面形成碳化硅层，之后使用NaOH或HF酸溶液去除SBA‑15模板，最终获得含有以碳化硅为孔壁的六方形有序介孔和以碳材料为孔壁的圆筒形有序介孔的新型多孔材料。

技术领域

本发明涉及新型多孔材料及其制备技术领域，具体涉及一种由碳化硅和碳材料构建的有序多孔材料及其制备方法。

背景技术

碳化硅（SiC）具有优异的化学稳定性和热稳定性、高硬度、优异的抗氧化和耐腐蚀性以及低电阻率等许多迷人性能，是一种很有应用前景的材料。多孔碳化硅已广泛应用于催化剂载体、多孔陶瓷和气体传感器等领域，近年来，多孔碳化硅在超级电容器电极材料方面也表现出了一定潜力。Kim团队在1250℃下制备了含微孔、中孔和大孔的多孔SiC，作为超级电容器电极材料在1 M Na₂SO₄电解液，扫描速率为5 mV s^-1时，表现出336.5 F g^-1的比电容（M. Kim, I. Oh, J. Kim, Supercapacitive behavior depending on the mesoporesize ofthree-dimensional micro-, meso- and macroporous silicon carbide forsupercapacitors,Phys. Chem. Chem. Phys, 2015, 17: 4424-4433）。碳化硅纳米线应用于全固态微型超级电容器，在450 ℃温度下，可提供92 μF cm^-2面电容，循环10000圈后比电容保持率超过60 %（C. H. Chang, B. Hsia, J. P. Alper, et al., High-temperatureall solid-state microsupercapacitors based on SiCnanowire electrode and YSZelectrolyte, ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7: 26658-26665）。然而，由于碳化硅硬度高和硅碳原子之间的共价键特性，多孔碳化硅合成、孔结构设计与调控方面仍面临相当大困难。

与碳化硅相比，多孔碳具有更加广泛的结构和形态，如活性炭、富勒烯、碳纳米管、石墨烯、模板碳等，其在许多领域得到了广泛应用和开发。由于结构易调性，碳材料在孔隙结构和尺寸上较其他材料具有多样性和新颖性。如从孔尺寸调控上，可设计合成微孔、介孔、大孔碳，从孔结构上，可合成无序多孔碳、有序多孔碳和具有分级孔结构的多孔碳等。模板法广泛应用设计碳材料孔结构和控制碳孔径。以阳极氧化铝（AAO）、泡沫镍、分子筛SBA-15等材料为模板，碳纳米管、三维网络石墨烯、有序多孔碳等不同结构和形态的多孔炭材料已被成功合成。但利用模板法制备和调控碳化硅及其孔结构尚见报道，以有序多孔碳化硅和有序多孔碳构建的多孔材料未见报道。

发明内容

本发明提供一种由碳化硅和碳材料构建的有序多孔材料及其制备方法，克服现有技术的不足，以硅烷化活化的分子筛SBA-15为模板，以含碳前驱体为碳源，采用化学气相沉积乙炔（CVD）沉积技术，使硅烷化SBA-15孔壁沉积碳层，再利用镁热还原技术使SBA-15孔壁和沉积的碳层界面形成碳化硅层，最后再使用NaOH或HF酸溶液去除SBA-15模板，最终获得含有两种有序介孔的新型多孔材料。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

技术方案之一：一种由碳化硅和碳材料构建的有序多孔材料，其特征在于，其结构中包含有两种有序介孔，一种为孔径为2.0-3.0nm的圆筒形介孔，其孔壁为碳材料；另一种为近正六方形介孔，孔的最大对边长度为3.0-4.0 nm，其孔壁为碳化硅；两种介孔相互通过孔壁结合形成有序分布，介孔间平均壁厚为2.5-3.5nm。