[發明專利]一種氮摻雜多級孔碳材料的制備方法

有效

• 申請號: 201310533518.7
• 申請日: 2013-10-31
• 公開（公告）號: CN103537262A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發明（設計）人: 張志琪;劉瑞林;劉喻;尹福玉;張繼方;管麗紅
• 申請（專利權）人: 陜西師范大學
• 主分類號: B01J20/20
• 分類號: B01J20/20;B01J20/28;B01J20/30
• 代理公司: 西安永生專利代理有限責任公司 61201
• 代理人: 高雪霞

技術領域

本發明屬于碳材料技術領域，具體涉及一種類金屬有機骨架配合物結合兩親性三嵌段共聚物作為雙模板，制備氮摻雜多級孔碳材料的方法，以及該材料在選擇性吸附膽紅素中的應用。

背景技術

多級孔碳材料是一種新型的碳材料，具有高比表面積、大孔容量、可調節的熱導率及電導率、耐腐蝕等獨特的性能，在吸附、催化、分離、電極材料、能量儲存等領域有著巨大的應用前景。為了獲得高表面積、大孔容量的碳材料，大量的方法已經用于強化這些因素，諸如催化活化法、溶膠-凝膠法、模板澆鑄法、軟模板技術-嵌段共聚物的自組裝法等。近年來，金屬有機骨架配合物因具有可調諧的孔尺寸以及功能性，已被成功用作新穎的模板用于組裝納米多孔碳材料。然而，最近的研究結果表明這些模板用于制備多孔碳材料方面存在一定的局限性，例如需要高純度的化學試劑、費力費時的操作、苛刻的反應條件以及昂貴、劇毒性的試劑，特別是以金屬有機骨架配合物作為模板制備多級孔碳材料仍需添加碳源，以及在大尺寸的合成條件下所制備多孔碳材料的高比表面積與大孔容量會急劇下降。因此，這種方法在大規模的工業化生產中存在一定局限性。

研究表明，雜原子摻雜的納米多孔碳材料不僅強化了自身的特性，而且擴展了它的應用價值，尤其是氮摻雜的多孔碳材料頗具應用潛力。目前，以三聚氰胺樹脂、尿素-苯酚-甲醛以及雙氰胺等氮包含的前驅體為原料，通過納米鑄型法、硬模板法以及溶劑揮發誘導自組裝法成功的用于制備氮摻雜多孔碳材料。出乎意料的是，通過這些方法所得到的碳材料總是不盡人意，比如孔結構不夠發達、熱穩定性較差以及氮含量較低等。近年來利用生物質廢棄物替代傳統化學試劑合成碳基納米材料已是一個趨勢，由于其具有廉價易得、無毒性以及多種生物高分子聚合物的特性。因此，利用生物質廢棄物為原料，發展一種簡單、綠色的方法用于合成新穎的氮摻雜的多孔碳材料深受歡迎。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于提供一種操作簡單、條件溫和、低成本的氮摻雜多級孔碳材料的制備方法。

解決上述技術問題所采用的技術方案由下述步驟組成：

1、制備鋁基類金屬有機骨架配合物

將清洗干凈的香蕉皮碎片浸泡于0.3～2.0mol/L的硝酸鋁水溶液中，60～90℃加熱至干燥，得到黃色的鋁基類金屬有機骨架配合物材料。

2、制備氮摻雜多級孔碳材料

首先將兩親性三嵌段共聚物完全溶解于無水乙醇中，緊接著加入鋁基類金屬有機骨架配合物材料，其中兩親性三嵌段共聚物與鋁基類金屬有機骨架配合物按照質量比1：4～20，常溫攪拌15～24小時，加熱至90～120℃，熱聚合反應10～24小時，反應產物在惰性氣體保護下，600～1000℃煅燒2～5小時，依次用質量分數為5%～20%的氫氟酸水溶液、蒸餾水洗滌產物，干燥，得到氮摻雜多級孔碳材料。

本發明的制備鋁基類金屬有機骨架配合物步驟（1）中，所述的硝酸鋁水溶液的濃度優選0.6～1.5mol/L，最佳為1.0mol/L；

本發明的步驟（2）中，所述的兩親性三嵌段共聚物與鋁基類金屬有機骨架配合物的質量比優選1：5～15，最佳為1：5；優選將反應產物在惰性氣體保護下，700～900℃煅燒2～5小時，最佳在800℃煅燒3小時。

本發明所用的兩親性三嵌段共聚物是相對分子質量為12600的普朗克F127，其他兩親性三嵌段共聚物同樣適用于本發明。

本發明以廢棄物香蕉皮為原料，利用香蕉皮所富含的生物高分子聚合物以及蛋白質作為碳與氮源，將香蕉皮浸泡于一定濃度的硝酸鋁水溶液中，經過金屬鋁離子的配位改性形成多孔道的類金屬有機骨架配合物材料，然后將此配合物材料作為模板用于構建大的中孔介觀結構，同時使用雙親型三嵌段共聚物普朗克F127作為軟模板用于微結構調控與導向，制備成一系列氮摻雜多級孔碳材料。本發明所用原料廉價易得，綠色環保，制備方法簡單、條件溫和，試驗結果表明，所得多級孔碳材料質量穩定，不僅具有可調諧比表面積、孔容量以及氮含量的特性，更重要的是可用于高選擇性吸附CO₂氣體，亦可以高選擇性、大吸附容量、良好生物相容性地吸附膽紅素，有望成為臨床醫學方面很有潛力的血液凈化分離介質材料。

附圖說明

圖1是實施例1制備的氮摻雜多級孔碳材料的透射電鏡圖。

圖2是實施例1制備的氮摻雜多級孔碳材料的XRD圖。

圖3是實施例1制備的氮摻雜多級孔碳材料的能譜圖。

圖4是實施例2制備的氮摻雜多級孔碳材料的透射電鏡圖。

圖5是實施例2制備的氮摻雜多級孔碳材料的X射線光電子能譜圖。