[发明专利]一种具有精确孔径的有序微孔碳的制备方法

说明书

本发明涉及一种具有精确孔径的有序微孔碳的制备方法。利用该方法所获得的碳材料具有周期性排列的三维微孔结构，且孔径尺寸分布在1.1‑1.4nm的窄范围内，孔径精确均一且孔道结构规则有序，比表面积高达2780msupgt;2/supgt;gsupgt;–1/supgt;，其特征在于以具有有序微孔结构的分子筛为模板，通过阳离子交换在分子筛中引入活性位点Znsupgt;2+/supgt;，利用化学气相沉积技术在350‑550℃的中低温和200‑600Torr的中低压条件下实现碳源的分解和碳的沉积，最后刻蚀除去分子筛模板而获得具有精确孔径的有序微孔碳。与传统的多孔碳材料合成方法相比，本发明制备方法工艺简单，条件温和，所获得的微孔碳在催化、气体吸附分离、能量储存等领域具有重要的应用前景。

技术领域：

本发明属于多孔碳材料技术领域，具体涉及一种具有精确孔径的有序微孔碳的制备方法。其特征在于：以具有有序微孔结构的分子筛为模板，通过阳离子交换在分子筛中引入活性位点Zn²⁺，利用化学气相沉积技术在中低温和中低压条件下实现碳源的分解和碳的沉积，最后刻蚀除去分子筛模板而获得具有精确孔径的有序微孔碳。本发明的关键在于，在分子筛中引入活性位点Zn²⁺，并将化学气相沉积控制在350-550℃的中低温和200-600Torr的中低压条件下，实现碳在分子筛模板内的快速生长与均匀沉积。

背景技术：

微孔材料是指孔隙小于2nm的多孔材料，已广泛应用于多相催化、吸附、分离、气体存储等多种技术领域。根据组成和结构，常见的微孔材料包括分子筛、多孔碳材料、金属-有机骨架化合物(MOF)和微孔有机聚合物(MOP)。

微孔碳材料首先具有碳材料的优异性质，如化学稳定性高、导电性好、价格较低等优点，而微孔结构的引入则使其同时具有比表面积大、活性位点多等优良性质。其中，有序微孔碳材料不仅孔径均一，而且孔道排列规则有序，因而在催化、吸附分离、能量储存等领域具有重要的应用。传统的有序微孔碳材料一般由椰壳、煤、木材等天然前驱体或酚醛树脂等为前驱体制备，通过这种方法获得的有序微孔碳存在孔径分布宽、孔隙率难以控制的突出缺点，极大地限制了其应用。文献“Formation of New Type of Porous Carbon byCarbonization in Zeolite Nanochannels”(Chemistry of Materials，1997,9,2，609-615)以丙烯腈和糠醇为碳源，Y型分子筛作为模板而获得了有序微孔碳，但该方法条件苛刻，反应温度需达到800℃以上，且所获得的有序微孔碳品质较低，有序结构不明显。文献“Apossible buckybowl-like structure of zeolite templated carbon”(Carbon，Volume 47,Issue 5,April 2009,Pages 1220-123)、“Formation of crosslinked-fullerene-like framework as negative replica of zeolite Y”(Carbon，Volume 62,October 2013,Pages 455-464)对上述方法进行了优化和简化，但进行化学气相沉积的条件仍然苛刻，所需的温度高达700℃，且利用上述方法在高温条件下所制备的微孔碳不仅容易在分子筛外表面形成非催化沉积，而且会发生碳在分子筛孔道内的过早沉积，造成孔道堵塞，因而极大影响了高品质有序微孔碳的制备。文献“Lanthanum-catalysed synthesisof microporous 3D graphene-like carbons in a zeolite template”(Nature volume535,pages 131-135(2016))、“Facile large-scale synthesis of three-dimensionalgraphene-like ordered microporous carbon via ethylene carbonization in CaXzeolite template”(Carbon，Volume 118,July2017,Pages 517-523)通过在分子筛空穴内引入La³⁺离子与Ca²⁺离子催化碳源气体碳沉积制备微孔碳材料的方法，解决了分子筛表面碳沉积与孔道堵塞的问题，但其制备过程仍需要900℃的高温苛刻条件，且传统的制备方法均需在常压下进行，高温以及常压条件加剧了碳源的分选择性热分解，导致孔道堵塞和外表面沉积，从而降低了有序微孔碳的品质。