CN102730665A

CN102730665A - 新型多孔碳材料的制备方法及新型多孔碳材料

Info

Publication number: CN102730665A
Application number: CN2011100880633A
Authority: CN
Inventors: 贲腾; 裴翠颖; 姚向东; 裘式纶
Original assignee: ZHUHAI STATE KEY LABORATORY OF INORGANIC SYNTHESIS & PREPARATIVE CHEMISTRY JILIN UNIVERSITY
Current assignee: Zhuhai city Polytron Technologies Inc Patel
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2031-04-08
Also published as: CN102730665B

Abstract

新型多孔碳材料的制备多孔碳材料的方法及根据该方法制备的多孔碳材料。其中制备方法包括利用具有比表面500-3000平方米每克的多孔有机骨架材料为原料，在氮气流下，从室温缓慢程序升温至多孔有机骨架材料的碳化温度T，并在保持氮气流下，将温度控制在T±50摄氏度，碳化60-1000分钟后，得多孔碳材料。本发明多孔碳材料的制备方法不但工艺简单，且无需使用助剂。通过本发明方法制得的多孔碳材料有高比表面积及高热稳定性，孔径分布均一，并且具有长程有序结构。

Description

新型多孔碳材料的制备方法及新型多孔碳材料

技术领域

本发明涉及一种新型多孔碳材料及制备方法，特别是利用有机多孔骨架材料为原料制备的多孔碳材料及其制备方法。

背景技术

由于具有丰富的孔道结构和较高的比表面积，多孔碳材料在日常生活和工业生产中有着广泛的应用，比如：有害气体吸收、污染物的吸附、气体的贮藏和分离等。从近十五年尤其是最近五年的部分文献报道情况看，多孔碳材料在催化领域的应用研究进度越来越快，所涉及的领域也越来越广。另外，由于多孔碳材料具有大比表面积，其作为后备电源及记忆候补装置的超级电容器的电极材料的研究也更加深入。

多孔碳材料主要有活性炭（AC）、活性炭纤维（ACF）、碳分子筛（CMS）以及九十年代新发展起来的碳纳米管（CNTs）等。微孔多孔碳材料是通过活化过程合成得到的，其中，无序的介孔多孔碳材料有多种合成方法，包括金属催化活化，有机气凝胶的碳化，使用硅纳米粒子的模板合成等；有序的多孔碳材料是利用分子筛作为模板剂得到的，比如：具有可调变的孔道结构的有序介孔多孔碳材料主要通过介孔硅材料MCM-48、 HMS、 SBA-15、MCF、MSU-X做为模板剂合成得到；具有石墨结构的有序介孔碳材料可以通过高温下将柔性结构的碳源转化成具有高度有序结构的石墨材料；有序的片层结构多孔碳材料也可以通过定向设计合成的硅材料为模板得到。但上述方法制备过程繁琐，制备周期长，且模板剂不能重复利用，成本较高。此外，制备过程中需要使用的活化剂多为NaOH或KOH等强腐蚀性物质。基于多孔碳材料广阔的应用前景，有必要开发更多新的制备多孔碳材料的方法。

发明内容

本发明目的之一在于提供一种制备多孔碳材料的方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：制备多孔碳材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：提供比表面500-3000平方米每克的多孔有机骨架材料；

步骤二：确定所述多孔有机骨架材料的碳化温度T；

步骤三：将所述多孔有机骨架材料均匀分散容器中，在氮气流下，从室温缓慢程序升温至所述碳化温度T；

步骤四：在保持氮气流下，将所述多孔有机骨架材料温度控制在T±50摄氏度，碳化60-1000 分钟后，得多孔碳材料；

步骤五：在氮气流下，将所述多孔碳材料冷却至室温。

本发明的另一目的在于提供一种由上述方法制备的多孔碳材料。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：多孔碳材料，根据权利要求1至6任一项的方法所制备。

本发明利用具有超高比表面积的多孔有机骨架化合物作为前躯体，在氮气流下程序升温，并在恰当温度下，使多孔有机骨架化合物在氮气流中碳化脱氢，在保持多孔骨架材料孔道结构特征的同时，使材料碳化得到目标多孔碳材料。由于多孔有机骨架材料目前可以定向设计合成，因此可以通过对有机骨架材料的选择设计，实现多孔碳材料的定向合成设计，也即：本发明实际上提供了一种定向设计合成多孔碳材料的新方法。另外，本发明的方法具有普适性，可以用以实现多孔脱氢材料的合成制备。本发明多孔碳材料的制备方法不但工艺简单，且无需使用助剂。通过本发明上述方法制得的多孔碳材料有高比表面积及高热稳定性，孔径分布均一，并且具有长程有序结构。

本发明中，多孔有机骨架材料可以选择现有技术中公知的多孔有机骨架材料，也可以根据需要自行定向设计合成。优选那些具有高孔隙度，超高比表面积，高物理化学稳定性的微孔骨架材料。更优选的，为具有类似金刚石拓朴结构的多孔有机骨架材料，如：聚四苯甲烷（T. Ben, H. Ren, S. Ma, D. Cao, J. Lan, X. Jing, W. Wang, J. Xu, F. Deng, J. M. Simmons, S. Qiu, G. Zhu, Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 9457）、聚四苯硅烷（Macromolecules 2010, 43, 8531–8538；Chem. Commun., 2008, 2462–2464）、聚四苯锗等。举例说明：

聚四苯甲烷的分子式为(C(Ph)4)n，其结构式为：

可以通过以下方法制备：

步骤1：将1：1：1 的双1,5-环辛二烯镍、2,2-联吡啶及1,5-环辛二烯加入到N,N－二甲基甲酰胺或甲苯溶液中，将其置入预热到20℃-140℃的油浴10 中，使催化剂老化0.5-3 小时；

步骤2：加入相应摩尔数的对溴四苯甲烷或对碘四苯甲烷的N,N－二甲基甲酰胺或者甲苯溶液，使反应物的浓度保持在0.001M-5M 之间，同时保证双1,5-环辛二烯镍与溴原子的比值为0.6-1.5 之间；

步骤3：将上述溶液保持温度，Yamamoto Type Ullmann 偶联反应10 分钟到5 天，停止反应；

步骤4：向反应体系中加入浓盐酸，破坏剩余的双1,5-环辛二烯镍；

步骤5：分别用水、四氢呋喃和氯仿的热溶液洗除去无机盐及可以溶解的有机物，最后产物在80～200℃真空干燥4～40 小时，得到聚合物：聚四苯甲烷。

其中，步骤5 包括如下步骤：

步骤5.1：每次用10-100 毫升50-100℃水处理聚合物3-5 次，过滤；

步骤5.2：每次用10-100 毫升20-70℃四氢呋喃处理聚合物3-5 次，过滤；

步骤5.3：每次用10-100 毫升20-60℃氯仿处理聚合物3-5 次，过滤；

步骤5.4：将聚合物在80-200℃条件下，由普通油泵抽真空处理4~40 小时，真空度小于10-3mmHg ，得到聚合物。

聚四苯锗的结构式为：

Figure 2011100880633100002DEST_PATH_IMAGE002

可以通过以下步骤制备聚四苯锗：

（1）将0.758 g 双1,5-环辛二烯镍，0.215 g 2,2-联吡啶及0.2 mL 1,5-环辛二烯加入到5 mL 的N,N－二甲基甲酰胺溶液中，将其置入预热至80℃的油浴中，使催化剂老化0.5-3小时；

（2）随后加入对溴四苯锗的N,N－二甲基甲酰胺溶液，使体系中的N,N－二甲基甲酰胺总体积为29mL，对溴四苯锗的浓度为0.1M；

（3）将步骤（2）所得溶液在80℃温度下反应60小时，停止反应；

（4）向反应体系中加入12mol/L浓盐酸35mL，破坏过量的1,5-环辛二烯镍，过滤得到淡黄色絮状沉淀物；

（5）分别用100mL 水、100mL 甲醇和100mL 氯仿的热溶液洗涤，除去无机盐及可以溶解的有机物，最终产物在80～200℃真空干燥10～40小时（真空度小于10-3 mmHg），得到聚合物聚四苯锗，产率为96 %。

本发明制备多孔碳材料的过程中，对各步骤中氮气流的流速没有严格的限制。根据本领域技术人员的公知常识，以控制在即能保证连续吹扫，又不将所述容器内的多孔有机骨架材料或多孔碳材料吹出为宜。优选的流速为3-10 毫升每分钟。

本发明中制备多孔碳材料的方法的步骤三中，优选的方案是在从室温缓慢程序升温前，先用氮气流吹扫1-10小时。籍此，可以将整个加热环境置换为氮气环境，避免有氧气或其他气体存在使碳化过程中会发生氧化等其它反应。另外，为使多孔有机骨架材料更好地均匀分散于容器中，还可以将多孔碳材料尽可能地碾碎、粉碎或研磨成粉末。

本发明制备多孔碳材料的过程中，盛装多孔有机骨架材料的容器可以选择耐高温，不与样品反应，且与炉体匹配的任何容器，如瓷舟等。优选石英瓷舟，因为石英瓷舟不但耐高温且体积合适，在氮气流下盛放样品，可以在保持较大接触面的同时不损失样品。

本发明制备多孔碳材料的过程中，步骤四中碳化过程的温度控制会影响到多孔碳材料的碳化程度及碳化质量。如果将多孔有机骨架材料的碳化温度以T表示，则碳化过程的温度以控制在T±50℃为宜，如果温度过低无法进行碳化，而温度高虽有利于碳化程度的提高，但如果温度过高，则会破坏材料的均一孔道，还有可能造成骨架材料的坍塌。本发明对碳化过程的加热设备没有严格的限制，如现有技术中常用的加热炉等即可，优选管式炉，因为管式炉的温度控制可通过其自身配置的热电偶完成，较为方便。由于多孔碳材料的碳化程度与其应用领域有关，如，纯碳化骨架可用在光电领域，部分碳化的材料通过进一步的性质测试，在特定孔道大小，特定比表面积要求的应用领域会有所应用。因此本发明方法可通过在一定程度内控制碳化过程的温度，方便地控制多孔碳材料的碳化程度，以获得不同用途的多孔碳材料。在步骤三中程序升温时，升温速度不宜过快，因为升温过快容易导致受热不均匀，进而导致碳化不均。优选的升温速度为0.3-3摄氏度/分钟，可以在保证受热均匀的同时节省时间。

本发明制备多孔碳材料的过程中，碳化程度也可以通过碳化时间来调整，通常碳化时间越长，碳化越完全。优选的碳化时间为60-1000分钟，时间过短，碳化程度不够，时间过长，碳化程度随时间的延长而增加的不明显，且会浪费控制时间。

附图说明。

图1为聚四苯甲烷在氮气氛围下，以1.5摄氏度 / 分钟升温速度的热重及差热曲线，其中实线为热重曲线，虚线为差热曲线；

图2 A是实施例1-5多孔碳材料及其前躯体聚四苯甲烷的4000 cm-1 至400 cm-1红外比照谱图；

图2B是实施例1-5多孔碳材料及其前躯体聚四苯甲烷的2000 cm-1 至400 cm-1 红外对比放大谱图；

图3为实施例1多孔碳材料在干燥空气氛围下，10摄氏度 / 分钟升温速度的热重曲线；

图4为聚四苯甲烷的X射线粉末衍射谱图；

图5为实施例1多孔碳材料的X射线粉末衍射谱图；

图6为实施例1多孔碳材料的低压氮气气体吸附-脱附等温线图；

图7为实施例1多孔碳材料依据DFT方法的孔径分布图。

为了更一步阐述本发明所采取的技术手段及其装饰效果，以下结合本发明的优选实施例及其附图进行详细描述。

具体实施方式

实施例1

按照以下步骤制备多孔碳材料：

步骤一：合成并制备具有超高比表面积的多孔有机骨架材料--聚四苯甲烷。

（1）将1g 双1,5-环辛二烯镍，0.568g 2,2-联吡啶及0.4mL1,5-环辛二烯加入到1mL 的N,N－二甲基甲酰胺溶液中，将其置入预热至60℃的油浴中，使催化剂老化0.5-3 小时；

（2）随后0.2M 的对溴四苯甲烷的N,N－二甲基甲酰胺3mL ，在此温度下反应60 小时，停止反应；

（3）向反应体系中加入浓盐酸，破坏过量的1,5-环辛二烯镍，过滤得到淡黄色沉淀；

（4）分别用100mL 水、100mL 四氢呋喃和100mL 氯仿的热溶液洗除去无机盐及可以溶解的有机物；

（5）最终产物在80～200℃真空干燥10～40 小时（真空度小于10-3mmHg），得到聚合物聚四苯甲烷，产率为76%。

步骤二：对已制备的具有超高比表面积的多孔有机骨架材料聚四苯甲烷进行氮气气氛下的热重表征，确定完全脱氢的碳化温度。

图1为聚四苯甲烷的热重图谱。更具体地，是聚四苯甲烷在氮气氛围下，1.5摄氏度 / 分钟升温速度的热重及差热曲线，其中实线为热重曲线，虚线为差热曲线。通过对聚四苯甲烷的CHN元素分析得知，该化合物中氢元素含量为5.11%。通过对图1聚四苯甲烷的热重图谱进行分析，聚四苯甲烷在氮气氛围中5.11% 质量失重在447摄氏度，由此确定制备多孔碳材料的碳化温度在450摄氏度左右。

步骤三：将上述具有超高比表面积的聚四苯甲烷尽可能的碾碎，然后均匀分散于石英瓷舟中，放置在管式炉中，然后对管式炉进行氮气吹扫2小时。再在氮气流下，从室温缓慢程序升温到碳化温度，升温速度为0.6摄氏度 / 分钟。

步骤四：保持氮气流下，将步骤三的分散于石英瓷舟中且已升温至碳化温度的聚四苯甲烷用管式炉控温在450摄氏度，碳化600分钟。

步骤五：使步骤四碳化得到的多孔碳材料在氮气流下，冷却至室温。

通过以上方法，制备得到多孔碳材料。

参考图2A、2B，本实施例制备得到的多孔碳材料的4000 cm-1 至400 cm-1 红外谱图见图2A中的线e,前躯体聚四苯甲烷的4000 cm-1 至400 cm-1红外谱图见图2A中的线a。图2B是图2A中2000 cm-1 至400 cm-1 部分的放大图，放大的红外谱图中标注了C-H 伸缩振动特征吸收峰。如图2A、2B所示，通过本实施例方法制备的多孔碳材料， C-H伸缩振动峰明显消失，证明碳化脱氢过程很彻底。

图3为采用本实施例方法得到的多孔碳材料在干燥空气下，10摄氏度 / 分钟升温速度的热重曲线。如图3所示，多孔碳材料在干燥空气中5% 质量失重在440摄氏度，说明多孔碳材料具有很好的高热稳定性。

图4为前躯体聚四苯甲烷的X射线粉末衍射谱图。该测试是通过岛津 XRD-6000 X 射线衍射仪进行的，铜靶，测试条件为 40.0 千伏, 30.0 毫安，扫描速度 2.0 °/分钟（2θ）。以铝片为载样体。如图4所示，该谱图具有明显的特征峰，由于材料为无定形材料存在峰的宽化，但仍可从谱图中得知该化合物具有长程有序结构。

图5为采用本实施例多孔碳材料的X射线粉末衍射谱图。该测试是通过岛津 XRD-6000 X 射线衍射仪进行的，铜靶，测试条件为 40.0 千伏, 30.0 毫安，扫描速度 2.0 °/分钟（2θ）。以铝片为载样体。如图4所示，该谱图具有明显的特征峰，由于材料为无定形材料存在峰的宽化，但仍可从谱图中得知该化合物具有区别于前躯体聚四苯甲烷的长程有序结构。

图6为采用本实施例方法得到的多孔碳材料的低压氮气气体吸附-脱附等温线图。该材料的氮气气体吸附-脱附等温曲线是在77K，0~1atm 下通过Micromeritics TriStar Ⅱ 3020 吸附仪测试得到。图中实点为吸附曲线点，空点为脱附曲线点。通过氮气吸附-脱附等温线，得到有机多孔材料的BET 比表面积达到2199 平方米 / 克，Langmuir比表面积为2741 平方米 / 克。

图7为采用本实施例方法得到的多孔碳材料依据DFT 方法计算的孔径分布图，如图7所示，多孔碳材料孔径分布在1.18 nm 左右。

实施例2

本实施例方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于在步骤四中用管式炉控温在400摄氏度。

参考图2A、2B，本实施例制备得到的多孔碳材料的4000 cm-1 至400 cm-1 红外谱图见图2A中的线b,前躯体聚四苯甲烷的4000 cm-1 至400 cm-1红外谱图见图2A中的线a。图2B是图2A中2000 cm-1 至400 cm-1 部分的放大图，放大的红外谱图中标注了C-H 伸缩振动特征吸收峰。如图2A、2B所示，通过本实施例方法制备的多孔碳材料， C-H伸缩振动峰明显消失，证明碳化脱氢过程很彻底。

实施例3

本实施例方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于步骤三中程序升温的升温速度为2摄氏度 / 分钟，在步骤四中用管式炉控温在420摄氏度。

参考图2A、2B，本实施例制备得到的多孔碳材料的4000 cm-1 至400 cm-1 红外谱图见图2A中的线c,前躯体聚四苯甲烷的4000 cm-1 至400 cm-1红外谱图见图2A中的线a。图2B是图2A中2000 cm-1 至400 cm-1 部分的放大图，放大的红外谱图中标注了C-H 伸缩振动特征吸收峰。如图2A、2B所示，通过本实施例方法制备的多孔碳材料， C-H伸缩振动峰明显消失，证明碳化脱氢过程很彻底。

实施例4

本实施例方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于步骤三中程序升温的升温速度为2摄氏度 / 分钟，在步骤四中用管式炉控温在445摄氏度。

参考图2A、2B，本实施例制备得到的多孔碳材料的4000 cm-1 至400 cm-1 红外谱图见图2A中的线d,前躯体聚四苯甲烷的4000 cm-1 至400 cm-1红外谱图见图2A中的线a。图2B是图2A中2000 cm-1 至400 cm-1 部分的放大图，放大的红外谱图中标注了C-H 伸缩振动特征吸收峰。如图2A、2B所示，通过本实施例方法制备的多孔碳材料， C-H伸缩振动峰明显消失，证明碳化脱氢过程很彻底。

实施例5

本实施例方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于步骤三中程序升温的升温速度为2摄氏度 / 分钟，在步骤四中用管式炉控温在455摄氏度。

参考图2A、2B，本实施例制备得到的多孔碳材料的4000 cm-1 至400 cm-1 红外谱图见图2A中的线f，前躯体聚四苯甲烷的4000 cm-1 至400 cm-1红外谱图见图2A中的线a。图2B是图2A中2000 cm-1 至400 cm-1 部分的放大图，放大的红外谱图中标注了C-H 伸缩振动特征吸收峰。如图2A、2B所示，通过本实施例方法制备的多孔碳材料， C-H伸缩振动峰明显消失，证明碳化脱氢过程很彻底。

实施例6

本实施例方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于步骤三中程序升温的升温速度为2摄氏度 / 分钟，在步骤四中用管式炉控温在450摄氏度，碳化60分钟。

实施例7

本实施例方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于步骤三中程序升温的升温速度为2摄氏度 / 分钟，在步骤四中用管式炉控温在450摄氏度，碳化1000分钟。

实施例8

按以下步骤制备多孔碳材料：

步骤一：按照已公开的合成方法，合成并制备具有高比表面积的多孔有机骨架化合物，聚四苯硅烷。

步骤二：对聚四苯硅烷进行氮气气氛下的热重表征，确定完全脱氢的碳化温度为450摄氏度。

步骤三：将上述聚四苯硅烷碾碎后均匀分散于石英瓷舟中，在氮气流下，从室温缓慢程序升温到碳化温度，升温速度为2摄氏度 / 分钟。

步骤四：保持氮气流下，将上述聚四苯硅烷用管式炉控温在450摄氏度，碳化600分钟。

（5）使碳化得到的多孔碳材料在氮气流下，冷却至室温。

实施例9

本实施例方法与实施例8基本相同，不同之处仅在于步骤三中程序升温的升温速度为0.6摄氏度 / 分钟，在步骤四中用管式炉控温在465摄氏度，碳化600分钟。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims

1.制备多孔碳材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：提供比表面 500-3000 平方米/克的多孔有机骨架材料；

步骤二：确定所述多孔有机骨架材料的碳化温度T；

步骤三：将所述多孔有机骨架材料均匀分散在容器中，在氮气流下，从室温缓慢程序升温到所述碳化温度T；

步骤五：在氮气流下，将所述多孔碳材料冷却至室温。

2.根据权利要求1所述制备多孔碳材料的方法，其特征在于：

所述多孔有机骨架材料为具有高孔隙度，超高比表面积，高物理化学稳定性的微孔骨架材料。

3.根据权利要求1所述制备多孔碳材料的方法，其特征在于：

所述多孔有机骨架材料为聚四苯甲烷、聚四苯硅烷、聚四苯锗中的任意一种。

4.根据权利要求1所述制备多孔碳材料的方法，其特征在于：

在所述步骤三中，升温速度控制在0.3-3摄氏度/分钟。

5.根据权利要求1所述制备多孔碳材料的方法，其特征在于：

所述容器为石英瓷舟。

6.根据权利要求1至5任一项所述制备多孔碳材料的方法，其特征在于：

所述步骤三中，在从室温缓慢程序升温前，先用氮气流吹扫1-10小时。

7.根据权利要求6所述制备多孔碳材料的方法，其特征在于：

所述氮气流的流速为3-10 毫升每分钟。

8.多孔碳材料，其特征在于：根据权利要求1至7任一项的方法所制备。

9.根据权利要求8所述的多孔碳材料，其特征在于：

所述多孔碳材料的BET比表面积为500-3000 平方米/克，Langmuir比表面积为1000-4000 平方米每克。

10.根据权利要求9所述的多孔碳材料，其特征在于：

所述多孔碳材料具有长程有序结构。