[发明专利]一种金属盐辅助制备多孔碳材料的方法及其应用

说明书

本发明提供一种金属盐辅助制备多孔碳材料的方法及其应用，该方法采用改进的溶胶‑凝胶法，包括以下步骤：将碳源和硝酸铝溶解在水中，充分搅拌后，蒸发水分得到固体凝胶，凝胶经过研磨，预处理和高温碳化后得到复合材料，再进一步酸洗去除氧化铝模板，得到具有丰富多孔结构的碳材料。本发明制备方法具有简单绿色，原料广，成本低和周期短等优点。此外，该多孔碳材料可以作为一种高效的碳催化剂。本发明制备的碳材料能够催化苄胺氧化，具有高活性和高选择性。值得注意的是，得到的碳材料具有很好的生物相容性以及可降解性，使其在作为药物载体应用于生物医药领域成为可能。

技术领域

本发明属于碳材料制备领域，具体涉及一种金属盐辅助制备多孔碳材料的方法及其应用。

背景技术

目前，化学品的合成多数涉及催化过程，传统的均相催化剂能够确保催化剂和反应物之间有足够的接触，因此反应选择性高。但是仍然存在着目标产物的分离过程繁琐且不利于催化剂的循环利用等缺点。多相催化剂可以有效地克服这些问题，其中金属氧化物和纳米金属催化剂在较多化学反应中得以应用。尽管这些金属催化材料具有很高的催化活性，但其生产成本较高，不符合绿色和可持续发展的要求。因此，开发高活性和选择性的多相非金属催化剂是非常有必要的。

近年来，多孔碳材料作为可持续的有机合成催化剂显示出巨大的潜力，广泛的应用于胺和醇的氧化以及硝基苯的还原等反应。这些材料优异的催化性能与高的比表面积和孔体积、表面易于物理和化学修饰以及通过掺杂其他元素（如B、N、S、P）实现的可调谐电子特性有关。但是阻碍这些催化剂实际应用的限制仍然存在。例如，Huang提出使用氧化石墨烯（GO）催化苄胺氧化，其催化剂的制备过程繁琐，催化剂负载量高（50wt%），反应条件苛刻（Green Chem.2012，14，930−934）。

通常，传统的多孔碳是通过两步工艺制备的：碳化后活化。在第一步中，将碳前驱体在惰性气体气氛中加热至400至1000 °C的温度。通过碳化步骤，可以获得低孔隙率的碳，随后，使用活化步骤来增加碳材料的孔隙率。通常，活化步骤可采用两种方法，即物理活化和化学活化。物理活化利用氧化气体，例如CO₂、O₂、空气或H₂O，通过与C原子反应在高温（高达900 °C）下制备多孔碳。化学活化使用一些化学试剂作为活化剂，例如KOH、Na₂CO₃、ZnCl₂或H₃PO₄，借助其侵蚀、水解、脱水或氧化功能。由于这些活化剂可以腐蚀碳结构，小分子如CO和CH₄可能从中逸出，从而产生高孔隙率。然而，物理活化和化学活化都有局限性。物理活化通常需要较长的激活时间和较高的能耗。另一方面，化学活化也存在设备腐蚀严重以及需要额外清洗步骤的问题。此外，活化不能精确调节多孔炭的孔结构和孔径。

硬模板法是制备具有有序孔结构和窄孔径分布的多孔碳的优秀策略之一。硬模板法合成多孔碳的一般过程如下：首先，将碳前驱体与模板剂混合；第二，碳前驱体在模板剂孔隙中固化；最后，将混合物碳化并去除模板剂以获得多孔碳。常用的模板剂有SiO₂颗粒、ZnO颗粒、沸石、金属氧化物和硫化物材料等。与传统的活化方法相比，模板法可以精确控制多孔碳的孔结构以及避免了碳骨架的腐蚀，从而提高了碳产量。但是操作过程非常耗时，并且模板昂贵，限制了他们的应用。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的首要目的是提供一种金属盐辅助制备多孔碳材料的方法。

本发明的第二个目的是提供一种多孔碳材料的催化应用。

本发明的第三个目的是提供一种多孔碳材料降解方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种金属盐辅助制备多孔碳材料的方法，通过改进的溶胶-凝胶法制备，包括以下步骤：

（1） 将碳源和硝酸铝在一定温度充分溶解，混合均匀，蒸发水分得到固体凝胶，