CN107512712A - 一种新型多级孔炭材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型多级孔炭材料的制备方法及其产品，所述的制备方法包括：以聚甲基丙烯酸甲酯颗粒作大孔模板，同时作为碳源，以二氧化硅颗粒作为介孔模板，在水中进行分散，通过蒸发自组装为混合模板，然后通过氮气氛围下程序升温碳化，经去除模板干燥后得到多级孔炭材料，大孔直径约1~2μm，介孔约为10~30nm，这种方法可以通过改变原料粒径来有效调控炭材料内部结构，可用作水污染吸附领域。本发明原材料价格便宜，合成工艺流程简单，对工艺要求不高，操作简单，易于实现工业化大规模生产。

Description

一种新型多级孔炭材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型多级孔炭材料及其制备方法，属于炭材料制备技术领域。

背景技术

多级孔炭材料是以炭素为主体骨架，具有两种及两种以上的孔贯穿于材料中的炭材料。这类材料除了一般炭材料所具有的高导热导电性能和化学稳定性外，还具有较大的比表面积和孔隙结构及短程的扩散路径，有利于物质的传输与扩散。其发达的孔隙结构及多级孔的协同作用，使得其在吸附污染物领域优于其他单一孔隙结构的炭材料，并且可用于吸附、催化、能源储存、载药等领域应用广泛。

目前制备多级孔炭材料的普遍方法是双模板法，即采用两种致孔材料制备多级孔炭材料，根据采用模板性质的不同，分为硬软模板法、硬硬模板法、双软模板法。硬软模板法制备过程需要提前制备胶晶模板，并通过前驱体浸渍、热处理、碳化、洗涤和干燥等步骤，热处理过程通常处理一天一夜，并且制备模板大多数采用溶剂挥发诱导自组装，溶剂挥发需要一个多星期时间，而且孔径不易调节，需要严格的操作程序；对于双软模板法制备的炭材料，孔架结构不稳定，并且两种软模板需要在一定催化条件下反应，操作较难；对于硬硬模板法，利用物理共混的方式进行模板组装来实现分级孔结构，虽然相比其他方法简化了制备路线，但是制备耗费大量时间，使用的原料大多为单分散乳液，价格昂贵，导致不易大量生产。

发明内容

本发明的目的是为了克服制备路线长、耗时及原料价格方面的缺点，提出了一种新型多级孔炭材料的制备方法，制备得到大孔介孔丰富的多级孔炭材料，原料价廉易得，方法简单，具有规模化生产的潜力。

一种新型多级孔炭材料的制备方法，以聚甲基丙烯酸甲酯颗粒做为碳源同时作为大孔模板，以二氧化硅颗粒为介孔模板；通过对其混合组装、碳化、去模板后，即得到多级孔炭材料。新型多级孔炭材料的制备方法，具体包括如下步骤：

（1）将聚甲基丙烯酸甲酯颗粒与二氧化硅颗粒分散于纯净水中，进行超声分散，得到均匀的分散液。

（2）将混合分散液静置于烘箱中干燥6~12h。

（3）然后在N₂氛围下进行碳化，碳化升温速率为1~5℃/min，500~800℃恒温1~3h，得到大孔二氧化硅炭材料。

（4）将所述的大孔二氧化硅炭材料浸入低浓度氢氟酸，振荡6~12h，去除二氧化硅并清洗，得到大孔-介孔多级孔炭材料。

前述的多级孔炭材料的制备方法中，所述的聚甲基丙烯酸甲酯与二氧化硅粒径比约50：1，质量比为3：2。

作为优选，前述方法中，优选的干燥温度为50~60℃。

作为优选，前述方法中，优选的碳化温度为600℃，恒温1h。

前述方法中，所述的多级孔炭材料的大孔孔径为1~3µm，介孔孔径为10~40nm，所述的二氧化硅分散液质量分数为30%，溶剂为水。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明以PMMA为大孔模板，以SiO₂为介孔模板，采用物理混合法进行溶液蒸发组装，

不需要溶剂挥发数天，只需几个小时完成组装后的固体块，缩短了制备时间，并且PMMA既用作制作大孔，也用来作为碳源。

2、本发明可以通过改变两种模板的粒径大小、碳化温度及升温速率来控制孔径结构及比表面积。

3、本发明只需要一步碳化，不需要预碳化处理，进而缩短制备时间。

3、本发明所使用的原料价格低廉，并经过了简单处理，既保证了原材料价格低廉，又保证了材料的均一程度。

4、本发明的制备过程所使用的氢氟酸浓度较低。

5、本发明的制备过程不需要严格的条件，同时本发明的制备工艺简单，对设备要求低。

6、本发明制备过程中，操作难度要求低，原材料造价较低，因此适合大批量的进行生产。

附图说明

图1为多级孔炭材料的制备方法流程图；

图2为纯化处理过的聚甲基丙烯酸甲酯的扫描电镜（SEM）图；

图3为实施例1中碳化之后的炭材料的扫描电镜（SEM）图；

图4为实施例1中制备的多级孔炭材料的扫描电镜（SEM）图；

图5为实施例1中制备的多级孔炭材料的扫描电镜（SEM）图；

图6为实施例2中制备的多级孔炭材料的扫描电镜（SEM）图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，实施方式以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施方式。

本发明的具体实施例1：一种新型多级孔炭材料，如图1所示，通过一下方式制备而成：以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为大孔模板，以二氧化硅为介孔模板；通过自组装、碳化、去除模板后，即得；具体包括以下步骤：

（1）将PMMA在水中进行超声10min，倒入离心管中，在1000rpm下离心约2min，然后在烘箱中干燥，然后对其进行研磨，待用，其扫描电镜（SEM）图如图2所示，从图2可知，PMMA处理后，粒径均匀，粒径约1~2μm，规则有序。

（2）称取1gPMMA与4mLSiO₂分散液混合，加入100mL纯水，搅拌约1h，超声约4h，倒入培养皿中，在55℃烘箱中干燥，得到组装后的条形固体块。

（3）在N₂氛围下的马弗炉中进行碳化，设置碳化升温速率为1℃/min，升温到600℃，恒温1h，并在氮气保护下冷却至室温，其扫描电镜（SEM）图如图3所示，从图3可知，大孔排列较为有序。

（4）将碳化后的材料浸入盛有6%HF的塑料管中，浸泡约6h并振荡，并用纯水进行冲洗，然后进行干燥，得到多级孔炭材料，其扫描电镜图（SEM）图如图4、图5所示，从图4、图5可知，制备得到多级孔炭材料，大孔介孔丰富，介孔围绕在大孔周围。

实施例2：一种新型多级孔炭材料，以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为大孔模板，以二氧化硅为介孔模板；通过自组装、碳化、去除模板后，即得；具体包括以下步骤：

（1）将PMMA颗粒在水中进行超声约10min，倒入离心管中，在1000rpm下离心约2min，然后在烘箱中干燥，然后对其进行研磨，待用。

（2）称取0.5gPMMA颗粒与2mLSiO₂分散液混合，加入100mL纯水，搅拌约1h，超声约4h，倒入培养皿中，在60℃烘箱中干燥，得到组装后的固体块。

（3）在N₂氛围下的马弗炉中进行碳化，碳化升温速率为1℃/min，升温到600℃，恒温1h，并在氮气保护下冷却至室温。

（4）将碳化后的材料浸入盛有6%HF的塑料管中，浸泡约6h并振荡，并用纯水进行冲洗，然后进行干燥，得到多级孔炭材料。其扫描电镜图（SEM）图如图6所示。

实施例3：一种新型多级孔炭材料，以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为大孔模板，以二氧化硅为介孔模板；通过自组装、碳化、去除模板后，即得；具体包括以下步骤：

（1）将PMMA颗粒在水中进行超声约10min，倒入离心管中，在1000rpm下离心约2min，然后在烘箱中干燥，然后对其进行研磨，待用。

（2）称取0.5gPMMA颗粒与2mLSiO₂分散液混合，加入100mL纯水，搅拌约1h，超声约4h，倒入培养皿中，在60℃烘箱中干燥，得到组装后的固体块。

（3）在N₂氛围下的马弗炉中进行碳化，碳化升温速率为1℃/min，升温到500℃，恒温2h，并在氮气保护下冷却至室温。

（4）将碳化后的材料浸入盛有6%HF的塑料管中，浸泡约6h并振荡，并用纯水进行冲洗，然后进行干燥，得到多级孔炭材料。

Claims (6)

1.一种新型多级孔炭材料的制备方法，其特征在于，以聚甲基丙烯酸甲酯颗粒为大孔模板同时作为碳源，以二氧化硅颗粒为介孔模板；通过对其混合组装、碳化、去模板后，即得到多级孔炭材料。

2.根据权利要求1所述的新型多级孔炭材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将聚甲基丙烯酸甲酯与二氧化硅分散于纯净水中，经搅拌、超声后，得到混合分散液；

将混合液倒入培养皿，静置于烘箱中干燥，然后经过碳化得到大孔二氧化硅炭材料；

将所述的大孔二氧化硅炭材料浸入氢氟酸，去除二氧化硅并清洗，得到大孔-介孔多级孔炭材料。

3.根据权利要求2所述的多级孔炭材料的制备方法，其特征在于，所述的聚甲基丙烯酸甲酯与二氧化硅粒径之比约为50:1，质量比为3：2。

4.根据权利要求2所述的多级孔炭材料的制备方法，其特征在于，所述的烘箱干燥温度为50~60℃。

5.根据权利要求2所述的多级孔炭材料的制备方法，其特征在于，所述的碳化温度为500~800℃，恒温1~3h，所述的氢氟酸为低浓度。

6.根据权利要求1~5任一所述的多级孔炭材料的制备方法，其特征在于，所述的多级孔炭材料的大孔孔径为1~3µm，介孔孔径为10~40nm。