CN104528740A - 一种有序介孔氧化硅-碳复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有序介孔氧化硅-碳复合材料的制备方法。首先，在乙醇和水混合体系中，加入一定量的表面活性剂和硅源，在酸性条件下得到均匀澄清前驱液，将所得溶液滴加在聚氨酯（PU）海绵骨架上，挥发溶剂诱导胶束进行自组装；然后，将PU海绵转移至聚四氟乙烯水热釜中进行水热反应；接下来，将PU海绵干燥后浸入H₂SO₄水溶液，放入烘箱使表面活性剂充分碳化；最后，将产物研磨成细粉末，再置于管式炉中，氮气气氛下焙烧除去剩余表面活性剂和PU海绵骨架，即可得到有序介孔氧化硅-碳（SBA-15-C）复合材料。本发明采用简单的硫酸碳化表面活性剂的方法，所制备的氧化硅-碳复合材料具有有序的介孔孔道，高比表面积及均一孔径，该复合材料可广泛应用于吸附、传感、催化等领域。

Description

一种有序介孔氧化硅-碳复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于纳米复合材料技术领域，具体涉及一种有序介孔氧化硅-碳复合材料的制备方法。

背景技术

近年来，介孔氧化硅材料由于具有有序的介孔孔道、高的比表面积、均一的孔径、大的孔容、可控的形貌、高的热稳定性及表面易修饰等优点，被广泛应用于吸附、催化、载药释放、储能、生物分离等领域。同时，碳是自然界中一种十分常见的元素，并以多种形式广泛存在，碳材料由于具有很好的导电性、导热性、机械稳定性、化学稳定性及低密度等优点，在催化、能量储存、电子器件、吸附与分离等领域有着巨大的应用前景。因此，人们便将关注的热点落在了介孔氧化硅-碳复合材料上，希望通过复合能充分发挥两种材料的优异性能。

目前，大部分介孔氧化硅-碳复合材料都是通过同时加入模板剂、碳源和硅源，采用溶剂挥发诱导自组装（EISA）方法得到的。然而，该方法需要先聚合单体得到高分子树脂材料作为碳源，且之后需要精确控制模板剂、碳源和硅源三者间的组装，制备过程复杂，所需原料种类繁多，影响因素多，不适合扩大化生产。因此，发明一种操作简单且可大规模合成的方法来制备有序介孔氧化硅-碳复合材料非常重要。

发明内容

为了克服下有技术的不足，本发明提供了一种有序介孔氧化硅-碳复合材料的制备方法。

一种有序介孔氧化硅-碳复合材料的制备方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

(1) 在乙醇和水混合体系中加入一定量的表面活性剂和硅源，在酸性条件下得到均匀澄清前驱液；

(2) 将所得前驱液滴加在两倍于溶液体积的PU海绵骨架上，空气中室温挥发溶剂，诱导胶束进行自组装；

(3) 将PU海绵转移至聚四氟乙烯水热釜中，于100℃在烘箱中水热反应24 小时；

(4) 将PU海绵70℃干燥后，浸入1.0~5.0 wt% H₂SO₄水溶液，放入烘箱100~160℃反应24小时，使表面活性剂充分碳化；

(5) 将产物研磨成细粉末，再置于管式炉中，氮气气氛下焙烧除去剩余表面活性剂和PU海绵骨架，即可得到有序介孔氧化硅-碳（SBA-15-C）复合材料。

所述的表面活性剂为P123，即EO₂₀PO₇₀EO₂₀，聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷非离子型表面活性剂。

所述的硅源为正硅酸乙酯（TEOS）。

所述的盐酸水溶液用来调节溶液的酸度。

以PU海绵为骨架浸入硫酸水溶液，使硫酸能均匀分散在每个孔道中，当水在烘箱中蒸发完全后，浓硫酸可将孔道内的表面活性剂进行充分碳化，在介孔氧化硅的孔壁内形成碳层，从而得到有序介孔氧化硅-碳（SBA-15-C）复合材料。

本发明采用简单的硫酸碳化表面活性剂的方法，所制备的氧化硅-碳复合材料具有有序的介孔孔道，高比表面积及均一孔径，该复合材料可广泛应用于吸附、传感、催化等领域。

附图说明

图1为本发明实施例1合成的有序介孔氧化硅-碳复合材料的扫描电镜图。

图2为本发明实施例1合成的有序介孔氧化硅-碳复合材料的透射电镜图。

图3为本发明实施例2合成的有序介孔氧化硅-碳复合材料的扫描电镜图。

图4为本发明实施例3合成的有序介孔氧化硅-碳复合材料的扫描电镜图。

图5为本发明实施例3合成的有序介孔氧化硅-碳复合材料的透射电镜图。

图6为本发明实施例1合成的有序介孔氧化硅-碳复合材料的氮气吸附-脱附曲线图。

图7为本发明实施例1合成的有序介孔氧化硅-碳复合材料的孔径分布图。

图8为本发明实施例1合成的有序介孔氧化硅-碳复合材料的热重曲线图。

具体实施方式

本发明通过下面的具体实例进行详细描述，但本发明的保护范围不受限于这些实施例。

实施例1：将2.0 g P123溶解于20 g无水乙醇和2.0 g 0.2 M HCl混合体系中，35℃搅拌3 小时得到均匀澄清溶液。之后加入4.2 g TEOS，40℃下继续激烈搅拌1小时。将所得溶液滴加在两倍于溶液体积的PU海绵上，空气中室温挥发48小时。再将PU海绵转移至聚四氟乙烯水热釜中，于100℃在烘箱中水热反应24 小时。将PU海绵70℃干燥后，浸入1.0 wt% H₂SO₄水溶液，放入烘箱100℃反应8小时，再160℃反应16 小时。最后，将产物研磨成细粉末，再置于管式炉中，在氮气气氛下以1℃·min^–1的速率升温到650℃，焙烧5小时以除去剩余表面活性剂和PU海绵骨架，即可得到有序介孔氧化硅-碳（SBA-15-C）复合材料。图1和图2为该复合材料的扫描电镜和透射电镜照片，可以发现材料具有十分有序的直形介孔孔道。图6和图7为该复合材料的氮气吸附-脱附曲线图和孔径分布图，计算得到材料的比表面积为452 m²/g，孔径为7.8 nm。图8为该复合材料的热重曲线图，18.3 wt%的失重对应于碳材料的分解。

实施例2：将2.0 g P123溶解于20 g无水乙醇和2.0 g 0.2 M HCl混合体系中，35℃搅拌3 小时得到均匀澄清溶液。之后加入4.2 g TEOS，40℃下继续激烈搅拌1 小时。将所得溶液滴加在两倍于溶液体积的PU海绵上，空气中室温挥发48小时。再将PU海绵转移至聚四氟乙烯水热釜中，于100℃在烘箱中水热反应24小时。将PU海绵70℃干燥后，浸入5.0 wt% H₂SO₄水溶液，放入烘箱110℃反应8小时，再160℃反应16小时。最后，将产物研磨成细粉末，再置于管式炉中，在氮气气氛下以1℃·min^–1的速率升温到650℃，焙烧5小时以除去剩余表面活性剂和PU海绵骨架，即可得到有序介孔氧化硅-碳（SBA-15-C）复合材料。图3为该复合材料的扫描电镜照片，可以发现材料的介孔孔道十分有序且具有很好的开放性。

实施例3：将2.0 g P123溶解于20 g无水乙醇和2.0 g 0.2 M HCl混合体系中，35℃搅拌3 小时得到均匀澄清溶液。之后加入4.2 g TEOS，40℃下继续激烈搅拌1 小时。将所得溶液滴加在两倍于溶液体积的PU海绵上，空气中室温挥发48小时。再将PU海绵浸入1.0 wt% H₂SO₄水溶液，放入烘箱100℃反应8小时，再160℃反应16小时。最后，将产物研磨成细粉末，再置于管式炉中，在氮气气氛下以1℃·min^–1的速率升温到650℃，焙烧5小时以除去剩余表面活性剂和PU海绵骨架，即可得到有序介孔氧化硅-碳（SBA-15-C）复合材料。图4和图5为该复合材料的扫描电镜和透射电镜照片，可以发现材料具有十分有序的直形介孔孔道。

Claims (5)

1. 一种有序介孔氧化硅-碳复合材料的制备方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

(1) 在乙醇和水混合体系中加入一定量的表面活性剂和硅源，在酸性条件下得到均匀澄清前驱液；

(2) 将所得前驱液滴加在两倍于溶液体积的PU海绵骨架上，空气中室温挥发溶剂，诱导胶束进行自组装；

(3) 将PU海绵转移至聚四氟乙烯水热釜中，于100℃在烘箱中水热反应24 小时；

(4) 将PU海绵70℃干燥后，浸入1.0～5.0 wt% H₂SO₄水溶液，放入烘箱100～160℃反应24小时，使表面活性剂充分碳化；

(5) 将产物研磨成细粉末，再置于管式炉中，氮气气氛下焙烧除去剩余表面活性剂和PU海绵骨架，即可得到有序介孔氧化硅-碳（SBA-15-C）复合材料。

2. 根据权利要求1所述的一种有序介孔氧化硅-碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述的表面活性剂为P123，即EO₂₀PO₇₀EO₂₀，聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷非离子型表面活性剂。

3. 根据权利要求1所述的一种有序介孔氧化硅-碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述的硅源为正硅酸乙酯（TEOS）。

4. 根据权利要求1所述的一种有序介孔氧化硅-碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述的盐酸水溶液用来调节溶液的酸度。

5. 根据权利要求1所述的一种有序介孔氧化硅-碳复合材料的制备方法，其特征在于，以PU海绵为骨架浸入硫酸水溶液，使硫酸能均匀分散在每个孔道中，当水在烘箱中蒸发完全后，浓硫酸可将孔道内的表面活性剂进行充分碳化，在介孔氧化硅的孔壁内形成碳层，从而得到有序介孔氧化硅-碳（SBA-15-C）复合材料。