CN108793155A - 一种高比表面积藕状多孔碳材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有高比表面积的藕状分级多孔碳材料及其制备方法。该方法是以具有微米‑纳米分级多孔结构的超交联聚二乙烯基苯为前驱体，以氢氧化钾为活化剂，在氮气保护下高温活化得到的。本发明原料易得，制备过程简便可靠，制得的多孔碳材料的孔径范围主要分布在0.3~50 nm与10~100μm之间，呈现出显著的分级多孔结构，而表面积可同时达到1214.9 m2·g‑1，可同时兼备高的吸附容量和快的吸附速率，在气体存储、电池材料和污染物的富集与去除等众多方面具有广泛的应用前景。

Description

一种高比表面积藕状多孔碳材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种多孔碳材料，特别涉及一种藕状仿生的具有高比表面积分级多孔碳材料的制备方法，属于功能材料技术领域。
背景技术
多孔碳材料由于具有良好的导电性，丰富的孔隙结构和优异的化学稳定性，目前在吸附与分离、气体存储与转化、超级电容器与电极材料等众多领域有着广泛的应用。
按照孔结构的类型，多孔碳材料可以分为微孔多孔碳（孔径小于2 nm）、介孔多孔碳（孔径介于2~50 nm）和大孔多孔碳（孔径大于50 nm）等类型。对于同时具有多种孔径范围的碳材料又称为分级（hierarchical）多孔碳材料。近来的研究表明，这类具有分级多孔的碳材料，有可能同时具备较高的表面积和较大的物质传输通道，因此有可能兼具高的吸附容量和快的吸附速率。中国专利CN201210361711.2公开了以一种有机多孔骨架材料聚四苯甲烷为原料制备多孔碳材料的方法，所得材料具有高的表面积，以及优异的气体储存能力。然而，所需原料较为昂贵，限制了该材料的广泛应用。
莲藕是一种具有特殊孔结构的生物基材，它的孔结构呈现出规整、有序和取向的特点。近来有文献报道以莲藕为碳源，在氩气保护下高温分解后再经过氢氧化钾活化得到多孔碳（Xin Wang, Mengjiao Wang, Xuemei Zhang, Hejun Li, Xiaohui Guo. Low-cost, green synthesis of highly porous carbons derived from lotus root shellas superior performance electrode materials in supercapacitor, J. EnergyChem. 2016，25，24-26）。该材料具有较高的表面积，可以做为超级电容器的材料。但是，由于材质的原因，所得多孔碳呈粉末状，不能保持原先的超大孔结构，因而在吸附动力学方面可能存在物质传输较慢的缺点。
发明内容
针对上述技术存在的问题和不足，本发明提供一种藕状仿生的，具有高比表面积的多孔碳材料及其制备方法。该方法是以具有微米-纳米分级多孔结构的超交联聚二乙烯基苯为前驱体，以氢氧化钾为活化剂，在惰性气体保护下高温活化得到的。
本发明的技术方案是：
一种高比表面积藕状多孔碳材料的制备方法，步骤如下：
以超交联聚二乙烯基苯分级多孔聚合物（HCPDVB）为前驱体，将其于氢氧化钾溶液中浸泡过夜，取出干燥后，置于管式炉中，在氮气保护下升温至一定温度活化一定时间后取出，分别用盐酸溶液和去离子水反复清洗，并干燥，得到高比表面积藕状多孔碳材料。
所述的超交联聚二乙烯基苯分级多孔聚合物HCPDVB按如下方法制备得到：
将二乙烯基苯（DVB）溶于二甲基亚砜（DMSO）中，加入引发剂，将溶液转移到模具中密封，然后置于4℃环境下，反应48 h后，用乙醇和去离子水充分洗涤，置于烘箱（50℃）中干燥，得到超大孔的材料PDVB。取适量PDVB多孔材料，置于反应釜中加入二氯乙烷（DCE）和无水三氯化铁，加热至85℃后，恒温反应18 h，反应完成后，分别用乙醇、0.1 mol/L稀盐酸溶液和去离子水洗涤、浸泡、干燥，即得超交联的前驱体材料HCPDVB；
所述的二乙烯基苯与二甲基亚砜的体积比为1:10~4:10；
所述的引发剂为过氧化苯甲酰（BPO）与N,N-二甲基苯胺（DMA）组成的氧化还原引发体系，其摩尔比为1:1；
所述的二氯乙烷与PDVB多孔材料的重量比为10:1~200:1；
所述的无水三氯化铁与PDVB多孔材料的重量比为1:10~1:1；
所述的氢氧化钾溶液的浓度为 0.1~4 mol/L；
所述的活化温度为500~800℃；
所述的活化时间为1~4小时；
所述的盐酸的浓度为0.01~2 mol/L。
根据本发明优选的，所述的二乙烯基苯与二甲基亚砜的体积比为1:4。
根据本发明优选的，所述的二氯乙烷与PDVB多孔材料的重量比为100:1。
根据本发明优选的，所述的无水三氯化铁与PDVB多孔材料的重量比为2:5。
根据本发明优选的，所述的氢氧化钾溶液的浓度为2 mol/L。
根据本发明优选的，所述的活化温度为750℃。
根据本发明优选的，所述的活化时间为2小时。
根据本发明优选的，所述的盐酸溶液的浓度为1 mol/L。
根据本发明最优选的，一种高比表面积藕状多孔碳材料的制备方法，步骤如下：
将4.0 mL二乙烯基苯加入到16.0 mL的二甲基亚砜中，加入36.8 mg过氧化苯甲酰与19μL N,N-二甲基苯胺，然后将溶液转移到模具中密封，置于4℃冰箱中，反应48 h后，用乙醇和去离子水充分洗涤，置于烘箱（50℃）内干燥至恒重，得到超大孔的材料PDVB。取247 mgPDVB多孔材料，置于反应釜中加入20 mL二氯乙烷和98.8 mg无水三氯化铁，加热至85℃后，恒温反应18 h，反应完成后，分别用乙醇、0.1 mol/L的稀盐酸和去离子水洗涤、浸泡、干燥，即得前驱体材料-超交联聚二乙烯基苯分级多孔聚合物HCPDVB；
将200 mg前驱体加入到2 mol/L氢氧化钾溶液中浸泡过夜，取出干燥后，置于管式炉中，在氮气保护下, 以5℃/min的速率由室温升温至750℃进行活化2 h后取出，分别用1mol/L的盐酸溶液和去离子水反复清洗，并干燥，得到高比表面积藕状多孔碳材料。
本发明原料易得，制备过程简便可靠，制得的多孔碳材料的孔径范围主要分布在0.3~50 nm与10~100 μm之间，呈现出显著的分级多孔结构，而表面积可同时达到1214.9m2·g-1，可同时兼备高的吸附容量和快的吸附速率，在气体存储、电池材料和污染物的富集与去除等众多方面具有广泛的应用。
附图说明
图1：实施例1制得的高比表面积藕状多孔碳材料的放大100倍的扫描电镜图。
图2：实施例1制得的高比表面积藕状多孔碳材料的放大40000倍的扫描电镜图。
图3：实施例1制得的高比表面积藕状多孔碳材料的氮气吸附-脱附等温线图。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图，对本发明作进一步说明，但不限于此。
实施例1
将4.0 mL二乙烯基苯溶于16.0 mL二甲基亚砜中，加入36.7 mg过氧化苯甲酰和19 μLN,N-二甲基苯胺，将溶液转移到注射器中密封，然后置于4℃环境下，反应48 h后，用乙醇和去离子水充分洗涤，置于烘箱（50℃）中干燥至恒重，得到超大孔的材料PDVB。取247 mgPDVB多孔材料，置于反应釜中加入20 mL二氯乙烷和98.8 mg无水三氯化铁，加热至85℃后，恒温反应18 h，反应完成后，分别用乙醇、0.1 mol/L稀盐酸溶液和去离子水洗涤、浸泡、干燥，即得超交联的前驱体材料HCPDVB；将200 mg前驱体材料于7.13 mL的2 mol/L氢氧化钾溶液中浸泡过夜，取出干燥后，置于管式炉中，在一定气体流速的氮气保护下, 以5℃/min的速率由室温升温至750℃进行活化2 h后取出，分别用1 mol/L盐酸和去离子水反复清洗，并干燥，得到比表面积为1214.9 m2·g-1的藕状多孔碳材料。本实施例制得的高比表面积藕状多孔碳材料的扫描电镜图如图1（放大100倍）、图2（放大40000倍）所示，其氮气吸附-脱附等温线图如图3所示。
实施例2
将4.0 mL二乙烯基苯溶于16.0 mL二甲基亚砜中，加入36.7 mg过氧化苯甲酰和19 μLN,N-二甲基苯胺，将溶液转移到注射器中密封，然后置于4℃环境下，反应48 h后，用乙醇和去离子水充分洗涤，置于烘箱（50℃）中干燥至恒重，得到超大孔的材料PDVB。取247 mgPDVB多孔材料，置于反应釜中加入20 mL二氯乙烷和98.8 mg无水三氯化铁，加热至85℃后，恒温反应18 h，反应完成后，分别用乙醇、0.1 mol/L稀盐酸溶液和去离子水洗涤、浸泡、干燥，即得超交联的前驱体材料HCPDVB；将200 mg前驱体材料于7.13 mL的2 mol/L氢氧化钾溶液中浸泡过夜，取出干燥后，置于管式炉中，在一定气体流速的氮气保护下, 以5℃/min的速率由室温升温至500℃进行活化2 h后取出，分别用1 mol/L盐酸和去离子水反复清洗，并干燥，得到比表面积为1008.2 m2·g-1藕状多孔碳材料。

Claims (7)

1.一种藕状仿生的高比表面积分级多孔碳材料的制备方法，步骤如下：
以超交联聚二乙烯基苯分级多孔聚合物（HCPDVB）为前驱体，将其于氢氧化钾溶液中浸泡过夜，取出干燥后，置于管式炉中，在氮气保护下升温至一定温度进行活化一定时间后取出，分别用盐酸溶液和去离子水反复清洗，并干燥，得到高比表面积藕状多孔碳材料。
2.如权利要求1所述的超交联聚二乙烯基苯分级多孔聚合物HCPDVB的制备方法，步骤如下：
将二乙烯基苯溶于二甲基亚砜中，加入引发剂，将溶液转移到模具中密封，然后置于4℃环境下，反应48 h后，用乙醇和去离子水充分洗涤，置于烘箱（50℃）中干燥，得到超大孔的材料PDVB，取适量PDVB多孔材料，置于反应釜中加入二氯乙烷和无水三氯化铁，加热至85℃后，恒温反应18 h，反应完成后，分别用乙醇、0.1 mol/L稀盐酸溶液和去离子水洗涤、浸泡、干燥，即得超交联的前驱体材料（HCPDVB）；
所述的二乙烯基苯与二甲基亚砜，其特征在于，二者的体积比为1:4；
所述的引发剂为过氧化苯甲酰与N,N-二甲基苯胺组成的氧化还原引发体系，其摩尔比为1:1；
所述的二氯乙烷与PDVB多孔材料，其特征在于，二者的重量比为100:1；
所述的无水三氯化铁与PDVB多孔材料, 其特征在于，二者的重量比为2:5。
3.如权利要求1所述的氢氧化钾溶液，其特征在于，氢氧化钾溶液溶度为2 mol/L。
4.如权利要求1所述的在一定温度下活化，其特征在于，活化温度为750℃。
5.如权利要求1所述的活化时间，其特征在于，活化时间为2 h。
6.如权利要求1所述的盐酸溶液，其特征在于，盐酸浓度为1 mol/L。
7.如权利要求1所述的制备藕状仿生的高比表面积分级多孔碳材料的方法，其特征在于，步骤如下：
将4.0 mL二乙烯基苯加入到16.0 mL的二甲基亚砜中，加入36.8 mg过氧化苯甲酰与19μL N,N-二甲基苯胺，然后将溶液转移到模具中密封，置于4℃冰箱中，反应48 h后，用乙醇和去离子水充分洗涤，置于烘箱（50℃）内干燥至恒重，得到超大孔的材料PDVB，取247 mgPDVB多孔材料，置于反应釜中加入20 mL二氯乙烷和98.8 mg无水三氯化铁，加热至85℃后，恒温反应18 h，反应完成后，分别用乙醇、0.1 mol/L的稀盐酸和去离子水洗涤、浸泡、干燥，即得前驱体材料-超交联聚二乙烯基苯分级多孔聚合物HCPDVB；
将200 mg前驱体加入到2 mol/L氢氧化钾溶液中浸泡过夜，取出干燥后，置于管式炉中，在氮气保护下, 以5℃/min的速率由室温升温至750℃进行活化2 h后取出，分别用1mol/L的盐酸和去离子水反复清洗，并干燥，得到高比表面积藕状多孔碳材料。
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