CN107973287B - 一种介孔碳材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种以介孔二氧化硅为模板、葡萄糖为碳源的介孔碳材料及其制备方法，属于碳材料的制备及应用技术领域。是将1g～10g的葡萄糖加入到1g～6g的介孔二氧化硅中，室温条件下搅拌5分钟～10分钟，得到介孔二氧化硅与葡萄糖的混合物；然后在180℃～200℃条件下热处理12小时～24小时，制得介孔二氧化硅与碳复合材料；再在800℃～900℃热处理2小时～4小时，得到介孔二氧化硅与介孔碳复合材料，向其加入氢氟酸水溶液，室温搅拌12小时～24小时；最后将上述溶液进行离心分离、水洗、烘干，获得本发明所述的介孔碳材料。所制备的介孔碳材料为三维多孔结构，孔尺寸为2～5nm，孔体积为0.5～1.5cm3/g，BET比表面积为400～900m2/g。

Description

一种介孔碳材料及其制备方法
技术领域
本发明属于碳材料的制备及应用技术领域，具体涉及一种以介孔二氧化硅为模板、葡萄糖为碳源的介孔碳材料及其制备方法，该介孔碳材料具有大的比表面积、大的孔隙率和可调控的孔道结构。
背景技术
介孔碳材料具有比表面积大、孔隙率大、孔道结构易于调控和稳定性高等优点，特别是兼顾介孔结构的优点和碳材料优异的物理化学性质，是其他材料无法比拟的，在催化、吸附与分离、能源、传感器、电学等领域得到了广泛的应用。优良的制备方法是介孔碳材料在众多研究领域实现广泛应用的前提和保障。因此，寻求简单高效的制备方法是介孔碳材料领域目前亟待解决的首要问题，成为科研领域和产业界的研究热点。目前，许多合成方法被用于制备介孔碳材料。其中，以嵌段共聚物为模板剂的软模板法可以制备有序介孔碳材料，而且通过优化合成条件，可以制备具有不同介孔结构和不同结构组成的介孔碳材料。但是，该方法也具有明显的不足，例如合成条件繁琐、需要精确控制实验条件、产生大量有机废气、涉及许多有机化学反应等，这都在一定程度上限制了该方法的广泛应用与推广。此外，高温裂解含碳化合物也被用于制备介孔碳材料，但是该方法无法制备有序介孔碳材料，而且很难实现介孔结构的调控与优化。值得注意的是，硬模板法最早被用于制备介孔碳材料，该方法是以有序介孔二氧化硅为模板、蔗糖分子为碳源、硫酸为催化剂。与软模板法制备介孔碳材料相比，硬模板法具有合成方法简单、原料来源广泛且无毒、无需有机试剂等优点。但是，该方法预处理步骤多，而且需要用强酸作为催化剂，有待进一步的改进。因此，开发简单高效的介孔碳材料制备方法成为碳材料的制备及应用技术领域研究的重要方向之一，在催化、吸附与分离、能源、传感器、电学等领域有着重要的应用前景。
发明内容
本发明的目的是克服现有介孔碳材料制备方法的不足，提供一种简单、高效、低成本的制备介孔碳材料的方法。
本发明所述的一种介孔碳材料的制备方法，其步骤如下：
(1)将1g～10g的葡萄糖加入到1g～6g的介孔二氧化硅中，室温条件下搅拌5分钟～10分钟，得到介孔二氧化硅与葡萄糖的混合物；
(2)将步骤(1)得到的混合物在180℃～200℃条件下热处理12小时～24小时，葡萄糖分子脱水碳化，制得介孔二氧化硅与碳复合材料；
(3)将步骤(2)得到的复合材料在800℃～900℃热处理2小时～4小时，得到介孔二氧化硅与介孔碳复合材料；
(4)将5mL～10mL、质量分数40％的氢氟酸水溶液加入到乙醇和水的混合溶液中，乙醇的体积为50mL～100mL，水的体积为40mL～90mL，得到氢氟酸溶液；
(5)将1g～2g步骤(3)制备的介孔二氧化硅与介孔碳复合材料加入到80mL～100mL步骤(4)配制的氢氟酸溶液中，室温搅拌12小时～24小时；最后将上述溶液进行离心分离、水洗、烘干，获得介孔碳材料，产物质量为0.65g～6.5g。
所制备的介孔碳材料为三维多孔结构，孔尺寸为2～5nm，孔体积为0.5～1.5cm3/g，BET比表面积为400～900m2/g。
本发明的优点是：
1)本发明所制备的介孔碳材料具有大的比表面积、大的孔隙率和可调控的孔径分布，同时还具有碳基材料稳定性好、表面功能基团易于调控等优点，这些独特的介孔结构使得介孔碳材料在许多领域有着重要的应用前景。
2)介孔碳材料的表面含有大量的含氧官能基团，使其可以在水溶液中稳定分散；同时，可以利用有机化学反应，在介孔碳材料表面引入功能基团，拓展介孔碳材料的应用领域。
3)采用硬模板复制的方法制备介孔碳材料，方法简单，易于操作，成本低廉。而且可以通过控制反应时间以及反应前驱物的比例等实验参数，实现介孔碳材料的组成、结构等性能的调控。
4)本发明中介孔碳材料的制备方法，以葡萄糖作为唯一碳源，不需要添加任何催化剂和有机试剂，同时还克服传统常规硬模板制备介孔碳材料方法中预处理步骤多的缺点，极大地提高了合成效率。
5)本专利中介孔碳材料的制备方法中，没有添加其他化学试剂或者催化剂，高温碳化过程不会产生有机废气，环境友好。
附图说明
图1是制备的介孔碳材料的小角X射线衍射谱图。
图2是制备的介孔碳材料的氮气吸附脱附曲线。
图3是制备的介孔碳材料的孔径分布曲线。
图4是制备的介孔碳材料的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
实施例1
(1)将1g的葡萄糖加入到6g的介孔二氧化硅中，室温条件下搅拌混合5分钟，得到介孔二氧化硅与葡萄糖的混合物；
(2)将步骤(1)得到的混合物在180℃热处理12小时，使得葡萄糖脱水碳化，制得介孔二氧化硅与碳复合材料；
(3)将步骤(2)得到的复合材料在900℃热处理2小时，得到介孔二氧化硅与介孔碳复合材料；
(4)配制氢氟酸溶液，将5mL的氢氟酸水溶液(质量分数40％)加入到乙醇和水的混合溶液中，乙醇的体积为50mL，水的体积为40mL；
(5)将1g步骤(3)制备的介孔二氧化硅与介孔碳复合材料加入到80mL步骤(4)配制的氢氟酸溶液中，室温搅拌24小时。将上述溶液进行离心分离、水洗、烘干，获得介孔碳材料，产物质量为0.65g。
所制备的介孔碳材料为三维多孔结构，孔尺寸为2nm，孔体积为1.5cm3/g，BET比表面积为900m2/g。
实施例2
(1)将2g的葡萄糖加入到5g的介孔二氧化硅中，室温条件下搅拌混合5分钟，得到介孔二氧化硅与葡萄糖的混合物；
(2)将步骤(1)得到的混合物在180℃热处理12小时，使得葡萄糖脱水碳化，制得介孔二氧化硅与碳复合材料；
(3)将步骤(2)得到的复合材料在900℃热处理2小时，得到介孔二氧化硅与介孔碳复合材料；
(4)配制氢氟酸溶液，将5mL的氢氟酸水溶液(质量分数40％)加入到乙醇和水的混合溶液中，乙醇的体积为60mL，水的体积为50mL；
(5)将1g步骤(3)制备的介孔二氧化硅与介孔碳复合材料加入到80mL步骤(4)配制的氢氟酸溶液中，室温搅拌24小时。将上述溶液进行离心分离、水洗、烘干，获得介孔碳材料，产物质量为1.3g。
所制备的介孔碳材料为三维多孔结构，孔尺寸为2.5nm，孔体积为1.3cm3/g，BET比表面积为800m2/g。
实施例3
(1)将4g的葡萄糖加入到4g的介孔二氧化硅中，室温条件下搅拌混合5分钟，得到介孔二氧化硅与葡萄糖的混合物；
(2)将步骤(1)得到的混合物在190℃热处理18小时，使得葡萄糖脱水碳化，制得介孔二氧化硅与碳复合材料；
(3)将步骤(2)得到的复合材料在850℃热处理3小时，得到介孔二氧化硅与介孔碳复合材料；
(4)配制氢氟酸溶液，将7.5mL的氢氟酸水溶液(质量分数40％)加入到乙醇和水的混合溶液中，乙醇的体积为70mL，水的体积为60mL；
(5)将1.5g步骤(3)制备的介孔二氧化硅与介孔碳复合材料加入到90mL步骤(4)配制的氢氟酸溶液中，室温搅拌18小时。将上述溶液进行离心分离、水洗、烘干，获得介孔碳材料，产物质量为1.95g。
所制备的介孔碳材料为三维多孔结构，孔尺寸为3nm，孔体积为1.2cm3/g，BET比表面积为700m2/g。
实施例4
(1)将6g的葡萄糖加入到3g的介孔二氧化硅中，室温条件下搅拌混合10分钟，得到介孔二氧化硅与葡萄糖的混合物；
(2)将步骤(1)得到的混合物在190℃热处理18小时，使得葡萄糖脱水碳化，制得介孔二氧化硅与碳复合材料；
(3)将步骤(2)得到的复合材料在850℃热处理3小时，得到介孔二氧化硅与介孔碳复合材料；
(4)配制氢氟酸溶液，将7.5mL的氢氟酸水溶液(质量分数40％)加入到乙醇和水的混合溶液中，乙醇的体积为80mL，水的体积为70mL；
(5)将1.5g步骤(3)制备的介孔二氧化硅与介孔碳复合材料加入到90mL步骤(4)配制的氢氟酸溶液中，室温搅拌18小时。将上述溶液进行离心分离、水洗、烘干，获得介孔碳材料，产物质量为2.6g。
所制备的介孔碳材料为三维多孔结构，孔尺寸为3.5nm，孔体积为1cm3/g，BET比表面积为600m2/g。
实施例5
(1)将8g的葡萄糖加入到2g的介孔二氧化硅中，室温条件下搅拌混合10分钟，得到介孔二氧化硅与葡萄糖的混合物；
(2)将步骤(1)得到的混合物在200℃热处理24小时，使得葡萄糖脱水碳化，制得介孔二氧化硅与碳复合材料；
(3)将步骤(2)得到的复合材料在800℃热处理4小时，得到介孔二氧化硅与介孔碳复合材料；
(4)配制氢氟酸溶液，将10mL的氢氟酸水溶液(质量分数40％)加入到乙醇和水的混合溶液中，乙醇的体积为90mL，水的体积为80mL；
(5)将2g步骤(3)制备的介孔二氧化硅与介孔碳复合材料加入到100mL步骤(4)配制的氢氟酸溶液中，室温搅拌12小时。将上述溶液进行离心分离、水洗、烘干，获得介孔碳材料，产物质量为3.25g。
所制备的介孔碳材料为三维多孔结构，孔尺寸为4nm，孔体积为0.75cm3/g，BET比表面积为500m2/g。
实施例6
(1)将10g的葡萄糖加入到1g的介孔二氧化硅中，室温条件下搅拌混合10分钟，得到介孔二氧化硅与葡萄糖的混合物；
(2)将步骤(1)得到的混合物在200℃热处理24小时，使得葡萄糖脱水碳化，制得介孔二氧化硅与碳复合材料；
(3)将步骤(2)得到的复合材料在800℃热处理4小时，得到介孔二氧化硅与介孔碳复合材料；
(4)配制氢氟酸溶液，将10mL的氢氟酸水溶液(质量分数40％)加入到乙醇和水的混合溶液中，乙醇的体积为100mL，水的体积为90mL；
(5)将2g步骤(3)制备的介孔二氧化硅与介孔碳复合材料加入到100mL步骤(4)配制的氢氟酸溶液中，室温搅拌12小时。将上述溶液进行离心分离、水洗、烘干，获得介孔碳材料，产物质量为6.5g。
所制备的介孔碳材料为三维多孔结构，孔尺寸为5nm，孔体积为0.5cm3/g，BET比表面积为400m2/g。
实施例1制备的介孔碳材料的小角X射线衍射谱图如图1所示。可以看出，介孔碳材料在1.14°给出一个强的衍射峰，在1.35°和2.00°分别给出两个较弱的衍射峰，表明制备的介孔碳材料具有有序介孔结构。
实施例1制备的介孔碳材料的氮气吸附脱附曲线见图2。可以看出，随着相对压强的增加，介孔碳材料对氮气分子的吸附量逐渐增加。同时，样品在不同比压区域均展示出明显的滞后环，说明本专利中制备的介孔碳材料具有明显的介孔结构。
实施例1制备的介孔碳材料的孔径分布曲线见图3。可以看出，介孔碳材料在4.38nm处给出了一个强的峰值，进一步证明制备的介孔碳材料具有介孔结构。
实施例1制备的介孔碳材料的扫描电子显微镜照片见图4。可以看出，介孔碳材料由具有不规则形貌的粒子组成，粒子的尺寸为几个微米。

Claims (2)

1.一种介孔碳材料的制备方法，其步骤如下：
(1)将1g～10g的葡萄糖加入到1g～6g的介孔二氧化硅中，室温条件下搅拌5分钟～10分钟，得到介孔二氧化硅与葡萄糖的混合物；
(2)将步骤(1)得到的混合物在180℃～200℃条件下热处理12小时～24小时，葡萄糖分子脱水碳化，制得介孔二氧化硅与碳复合材料；
(3)将步骤(2)得到的复合材料在800℃～900℃热处理2小时～4小时，得到介孔二氧化硅与介孔碳复合材料；
(4)将5mL～10mL、质量分数40％的氢氟酸水溶液加入到乙醇和水的混合溶液中，乙醇的体积为50mL～100mL，水的体积为40mL～90mL，得到氢氟酸溶液；
(5)将1g～2g步骤(3)制备的介孔二氧化硅与介孔碳复合材料加入到80mL～100mL步骤(4)配制的氢氟酸溶液中，室温搅拌12小时～24小时；最后将上述溶液进行离心分离、水洗、烘干，获得介孔碳材料，产物质量为0.65g～6.5g；该介孔碳材料为三维多孔结构，孔尺寸为2～5nm，孔体积为0.5～1.5cm3/g，BET比表面积为400～900m2/g。
2.一种介孔碳材料，其特征在于：是由权利要求1所述的方法制备得到。
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