CN102219542A - 一种高氮含量泡沫状有序中孔炭整体材料的制备方法 - Google Patents

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邱介山
肖南
周颖
凌铮
赵宗彬
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Abstract

一种高氮含量泡沫状有序中孔炭整体材料的制备方法，属于无机非金属炭素材料科学技术领域。该制备方法采用软模板法制备氮掺杂泡沫状有序中孔炭整体材料。所得分级孔道结构整体材料具有高度开放的大孔孔泡结构、有序且尺寸均一的介孔结构以及高比表面积和孔容，可方便的调节泡沫体整体复合材料结构以及氮含量。制备过程简单、对设备要求不高，参数容易控制，操作容易、易于放大。可应用于吸附材料、电池基板以及固定床填料等领域。

Description

一种高氮含量泡沫状有序中孔炭整体材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高氮含量泡沫状有序中孔炭整体材料的制备方法，属于无机非金属材料科学技术分支——炭素材料科学技术领域。
背景技术
有序中孔炭是一种具有三维纳米结构的新型碳材料，因其独特的结构、高化学及热稳定性、高比表面积、大孔容以及单一可控的孔径分布使其在催化、吸附分离以及电化学等众多领域有着广泛的应用，因而受到人们的关注。通过氮修饰的炭材料做为催化剂载体时，还被认为因增强的π键和碱性化学性质而具有提高催化剂稳定性的能力。通常得到氮修饰纳米碳材料有两种方法：(1)制备炭材料过程中直接掺杂，即原位掺杂；(2)通过含氮气体(N2，NH3等)处理纳米碳材料，即后处理方法。原位方法通常用于制备氮掺杂CNTs。后处理方法通常通过在高温下(600-900℃)使用含氮气体处理炭材料。此外，研究者还可以通过使用富氮碳源或向碳源中添加富氮化合物获得氮掺杂的有序中孔炭(Bulletin of the Korean Chemical Society，2008，29(2)：413-416；Transactions of the Materials Research Society of Japan，2007，32(4)：1003-1005；Journal of Physical Chemistry C，2008，112(34)：13126-13133.)。但对于整体结构高氮含量有序中孔炭材料并未涉及。
发明内容
为了填补现有技术中存在的空白，本发明提供一种高氮含量泡沫状有序中孔炭整体材料的制备方法。该制备方法过程简单，分级孔道结构块状整体材料具有高度开放的大孔孔泡结构和有序中孔结构，同时氮含量可高达10％。
本发明采用的技术方案是：一种高氮含量泡沫状有序中孔炭整体材料的制备方法具体步骤如下：
2-8份F127和3-5份0.2M HCl溶液溶解在20-100份乙醇中，10-40℃下搅拌1-3h得到澄清的溶液；依次加入1-10份含氮化合物、2-10份正硅酸乙酯和5-15酚醛树脂(20wt％)预聚体，继续搅拌1-10h得到澄清溶液；将作为模板的聚合物泡沫充分浸渍于该溶液后，挤出过量溶液；将得到的复合物泡沫10-30℃下挥发乙醇5-10h，再置于80-120℃烘箱内10-48h得到聚合后的复合泡沫；将样品置于管式炉中，在氮气保护下，在600-900℃炭化1-10h，升温速率为1℃·min-1；将所得到的复合材料在10wt％的氢氟酸浸渍24h除去氧化硅，干燥得到高氮含量泡沫状有序中孔炭整体材料。
所述含氮化合物选自尿素、三聚氰胺、三乙胺、联苯胺硝基苯胺和偶氮二异丁腈。
所述作为模板的聚合物泡沫选自聚氨酯泡沫或酚醛树脂泡沫。
所得高氮含量泡沫状有序中孔炭整体材料具有高度开放的大孔孔泡结构、有序且尺寸均一的介孔结构以及高氮含量。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)得到的泡沫炭兼具泡沫状高度开放的大孔和结构规整的有序中孔的分级孔道结构。
(2)本发明可方便的调节泡沫体整体复合材料的氮元素含量。
(3)制备过程简单、对设备要求不高，参数容易控制，操作容易、易于放大。
附图说明
图1是实施例一所得高氮含量泡沫状有序中孔炭整体材料透射电镜照片。证实所得材料中孔结构。
图2是实施例一所得泡沫状有序中孔炭整体材料的小角XRD谱图。
图3是实施例一所得泡沫状有序中孔炭整体材料的氮吸附曲线。
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例一
1.6gF127和1.0g 0.2M HCl溶液溶解在8.0g乙醇中，40℃下搅拌1h得到澄清的溶液。依次加入1g尿素、2.08g正硅酸乙酯和5.0g酚醛树脂(20wt％)预聚体，继续搅拌2h得到澄清溶液。将聚胺脂泡沫充分浸渍于该溶液后，挤出过量溶液。将得到的复合物泡沫30℃下挥发乙醇7h，再置于100℃烘箱内24h得到聚合后的复合泡沫。将样品置于管式炉中，在氮气保护下，在700℃炭化3h，升温速率为1℃·min-1。将所得到的复合材料在10wt％的氢氟酸浸渍24h除去氧化硅，干燥得到氮掺杂OMC/CF复合材料
所得泡沫状有序中孔炭整体材料大孔孔径为500微米，BET比表面积为319m2·g-1，总孔孔容为0.34cm3·g-1，中孔孔径3.7nm，氮元素含量7.4％。
实施例二
3gF127和2g 0.2M HCl溶液溶解在14.0g乙醇中，35℃下搅拌3h得到澄清的溶液。依次加入2g三聚氰胺、4g正硅酸乙酯和10g酚醛树脂(20wt％)预聚体，继续搅拌3h得到澄清溶液。将酚醛树脂泡沫充分浸渍于该溶液后，挤出过量溶液。将得到的复合物泡沫20℃下挥发乙醇15h，再置于110℃烘箱内20h得到聚合后的复合泡沫。将样品置于管式炉中，在氮气保护下，在800℃炭化1h，升温速率为2℃·min-1。将所得到的复合材料在10wt％的氢氟酸浸渍24h除去氧化硅，干燥得到氮掺杂OMC/CF复合材料
所得泡沫状有序中孔炭整体材料大孔孔径为500微米，BET比表面积为280m2·g-1，总孔孔容为0.28cm3·g-1，中孔孔径3.7nm，氮元素含量5％。
实施例三
3gF127和2g 0.2M HCl溶液溶解在14.0g乙醇中，35℃下搅拌3h得到澄清的溶液。依次加入2.7g尿素、4g正硅酸乙酯和10g酚醛树脂(20wt％)预聚体，继续搅拌3h得到澄清溶液。将酚醛树脂泡沫充分浸渍于该溶液后，挤出过量溶液。将得到的复合物泡沫20℃下挥发乙醇15h，再置于110℃烘箱内20h得到聚合后的复合泡沫。将样品置于管式炉中，在氮气保护下，在700℃炭化1h，升温速率为2℃·min-1。将所得到的复合材料在10wt％的氢氟酸浸渍24h除去氧化硅，干燥得到氮掺杂OMC/CF复合材料
所得泡沫状有序中孔炭整体材料大孔孔径为500微米，BET比表面积为280m2·g-1，总孔孔容为0.28cm3·g-1，中孔孔径3.7nm，氮元素含量10％。

Claims (3)

1.一种高氮含量泡沫状有序中孔炭整体材料的制备方法，其特征在于：2-8份F127和3-5份0.2M HCl溶液溶解在20-100份乙醇中，10-40℃下搅拌1-3h得到澄清的溶液；依次加入1-10份含氮化合物、2-10份正硅酸乙酯和5-15重量百分比为20％的酚醛树脂预聚体，继续搅拌1-10h得到澄清溶液；将作为模板的聚合物泡沫充分浸渍于该溶液后，挤出过量溶液；将得到的复合物泡沫10-30℃下挥发乙醇5-10h，再置于80-120℃烘箱内10-48h得到聚合后的复合泡沫；将样品置于管式炉中，在氮气保护下，在600-900℃炭化1-10h，升温速率为1℃·min-1；将所得到的复合材料在重量百分比为10％的氢氟酸浸渍24h除去氧化硅，干燥得到高氮含量泡沫状有序中孔炭整体材料。
2.根据权利要求1所述的一种高氮含量泡沫状有序中孔炭整体材料的制备方法，其特征在于：所述含氮化合物选自尿素、三聚氰胺、三乙胺、联苯胺硝基苯胺和偶氮二异丁腈。
3.根据权利要求1所述的一种高氮含量泡沫状有序中孔炭整体材料的制备方法，其特征在于：所述作为模板的聚合物泡沫选自聚氨酯泡沫或酚醛树脂泡沫。
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