[發明專利]一種高比表面積孔徑均勻規則的微孔納米碳球的制備方法

有效

• 申請號: 201310327852.7
• 申請日: 2013-07-31
• 公開（公告）號: CN103395768A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發明（設計）人: 于廣莉
• 申請（專利權）人: 蘇州納埃凈化科技有限公司
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82Y30/00
• 代理公司: 蘇州廣正知識產權代理有限公司 32234
• 代理人: 劉述生

技術領域

本發明涉及多孔碳材料的制備領域，特別是涉及一種以金屬鹽和有機配體制備高比表面積、不同尺寸、孔徑均勻且規則的微孔納米碳球的方法。

背景技術

碳是構成一切生命機體的重要元素之一，以多種形式分布于自然界。碳被視為重要的無機材料由來已久，并廣泛存在于有機高分子材料如棉、絲、橡膠、塑料中，碳材料的發展更是日新月異，多孔納米碳球便是典型之一。多孔納米碳球本身具有低密度，高比表面積以及高穩定性等優點，在氣體吸附、催化載體、太陽能電池等領域中蘊藏著重要的潛在應用。

目前，制備多孔納米碳球有三種方法：1、化學氣相沉積法：將含有碳源的氣體或者蒸汽（乙烯、乙炔、苯乙烯、苯、甲苯、甲烷等）高溫裂解生成碳；2、硬模板法：首先選擇合適的多孔材料，例如經典的如SBA-15，MCM-41等分子篩，然后注入糠醇或者以昂貴的氣體（乙烯，丙烯等）為碳源，惰性氣體保護下高溫碳化，然后用氫氟酸除去硬模板；3、聚合物碳化：先合成聚合物，然后在惰性氣體保護下高溫碳化，最終得到納米碳球。雖然以上方法在一定程度上能夠得到納米碳球，但是在合成體系中使用或價格昂貴或毒性較大的碳源，后處理需要使用對人體強腐蝕性的氫氟酸，制備程序繁瑣，這就限制了上述方法制備多孔碳球，導致其在工業中難以推廣和應用。

發明內容

本發明主要解決的技術問題是提供一種無污染、廉價以及適合工業化生產的不同尺寸（5nm~1000nm）微孔納米碳球的制備方法。

為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是：提供一種高比表面積孔徑均勻規則的微孔納米碳球的制備方法，包括步驟為：

（1）合成離子液體：將氯化膽堿和尿素按照摩爾比1：2~10的比例在室溫下混合后攪拌12~20小時，得到離子液體；

（2）制備粉末：將有機配體加入到步驟（1）合成的離子液體中，待有機配體溶解后加入金屬鹽，并且不斷攪拌，在60~80℃條件下反應5~10小時，降至室溫后抽濾，用蒸餾水反復沖洗，然后再在60~80℃條件下烘干得到粉末，其中金屬鹽、有機配體、離子液體的摩爾比為10：1~2：4~5；

（3）粉末處理：將步驟（2）得到的粉末用甲醇或乙醇浸泡，每隔12~20小時換一次溶劑，此過程重復2~4次，然后自然晾干，得到粉末；

（4）碳化：將步驟（3）得到的粉末在惰性氣體保護下由室溫升溫至600~1100℃進行碳化，之后降到室溫；

（5）后處理：將步驟（4）所得產物用質量分數為1%~10%的無機酸在室溫下攪拌處理12~24小時后離心，重復上述操作，直至上清液無金屬元素，然后將離心后產物反復的用水洗滌，直至pH值為7~8，然后自然晾干，得到碳粉末；

（6）活化：將步驟（5）中的碳粉末加入到氫氧化鉀﹑氫氧化鈉﹑次氯酸鈉或氫氧化鈣中，碳粉末與氫氧化鉀﹑氫氧化鈉﹑次氯酸鈉或氫氧化鈣的質量比為1：4~1：8，然后在惰性氣體保護下由室溫升溫至700~900℃進行活化，之后自然冷卻到室溫，最后用蒸餾水反復沖洗，直至pH值為7~8，再于80~100℃條件下烘干，得到孔徑均一的微孔納米碳球。

在本發明一個較佳實施例中，步驟（2）中所述金屬鹽是硝酸銅、醋酸鎳、硝酸鋁、硝酸鈷、硝酸鋅、醋酸鋅、醋酸鎘、硝酸鎘、硝酸銪或硝酸鋱，當生成的金屬氧化物的沸點低于碳化溫度時，則省略步驟（5）。

在本發明一個較佳實施例中，步驟（2）中所述有機配體是二甲基咪唑、對苯二甲酸、均苯三甲酸、N-甲基咪唑、吡啶二羧酸、噻吩二羧酸、4,4-聯吡啶、1,4-萘二酸、1,2,4-三氮唑、苯并咪唑、富馬酸、煙酸或異煙酸。

在本發明一個較佳實施例中，步驟（4）中所述升溫過程為1、2或3段的逐漸升溫過程，降溫過程也為1、2或3段的逐漸降溫過程，每段升溫或降溫過程完成后，保持1~10小時，然后再進行下一段的升溫或降溫過程，升溫或降溫的速率為0.5~5℃/min。

在本發明一個較佳實施例中，步驟（5）中所述無機酸是鹽酸、硝酸、硫酸、高氯酸、次氯酸或硅酸。

本發明的有益效果是：本發明使用離子液體作為反應體系，與傳統的水熱法相比，離子液體具有許多優點。例如離子液體不可燃，不揮發，無味，極低的蒸汽壓的優點，使其在高真空條件下得以使用，還避免了易揮發的有機化合物所造成的環境污染等問題。同時對有機化合物和無機鹽都有著較強的溶解能力，均相條件下即可進行反應。更重要的是離子液體具有良好的穩定性，易于產物分離，可回收且循環使用。