[發明專利]一種有序介孔碳內嵌高分散金屬原子的制備方法

有效

• 申請號: 201711371874.8
• 申請日: 2017-12-19
• 公開（公告）號: CN109935797B
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發明（設計）人: 鄧德會;涂云川;包信和
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/583;H01M10/052
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 毛薇;李馨

本發明公開了一種有序介孔碳內嵌高分散金屬原子的制備方法。具體地說，該方法是一種基于硬模板的方法，將金屬陽離子鹽與碳源前驅物填充到介孔材料的有序孔道中，經過惰性氣氛熱處理后，利用氫氟酸溶液去除介孔材料即得到目標產物。該方法所制備的碳材料反向復制了硬模板的有序孔道結構，且碳骨架中內嵌有高度分散的金屬原子。本方法是一種制備有序介孔碳內嵌高度分散的一元、二元或多元金屬原子的普適方法，具有簡單，易于操作和控制的特點。

技術領域

本發明涉及一種有序介孔碳內嵌高分散金屬原子的制備方法。

背景技術

多孔碳(活性炭、炭黑、碳纖維等)具有高的比表面積和孔容、表面化學惰性、機械穩定性好等特點，在純化、分離、儲氫、色譜等領域有廣闊的應用前景。但活性炭的孔徑大多集中在微孔范圍，對小分子的吸附較有利，對較大分子的吸附性能則較弱，在大尺寸分子(生物大分子、染料等)的吸附、色譜分離、鋰離子電池等領域的應用受到限制(《有序介孔分子篩材料》趙東元，萬穎，周午縱著，高等教育出版社2013年)。因此，具有較大孔徑的介孔碳的制備受到廣泛的關注。自1999年韓國的兩個科研團隊(R.Ryoo et al.J.Phys.Chem.B103,7743 (1999)；T.Hyeon et al.Chem.Commun.2177(1999))分別獨立報道了有序介孔碳的制備以來，有序介孔碳已在雙電層電容器(D.Y.Zhao et al.J.Am.Chem.Soc.128. 11652(2006))、贗電容電容器(Y.Y.Xia et al.Adv.Mater.18.2619(2006))、鋰離子電池(H.S.Zhou et al.Adv.Mater.15.2107(2003))、鋰硫電池(L.F.Nazar et al.Nat.Mater.8.500(2009))、燃料電池(X.L.Feng et al.Angew.Chem.Int.Ed.49. 2565(2010))等領域表現出廣闊的應用前景。

目前有序介孔碳多采用納米澆鑄法(硬模板法)和表面活性劑自組裝法來制備。所用碳源多為蔗糖、糠醇、酚醛樹脂、聚丙烯腈、萘、蒽、二氫苊、中間相瀝青等。通過不同碳源的選擇，可以將雜原子如N、S、P、O等引入有序介孔碳骨架內(J.S.Yu etal.J.Am.Chem.Soc.134.16127(2012))。但是將金屬特別是非貴金屬高度分散于有序介孔碳骨架的合成仍存在巨大的挑戰，目前所制備的金屬多為納米顆粒復合在有序介孔碳中(G.H.Wang et al.Angew.Chem.Int.Ed.55. 8850(2016))。

發明內容

本發明在合成有序介孔碳的同時嵌入金屬原子，一步合成有序介孔碳內嵌高分散金屬原子材料。該方法所制備出的介孔碳具有規則的介孔結構，內嵌的金屬原子可為單組分、雙組分或多組分，種類可調且分布均勻。該方法適用范圍廣泛，易于操作，產物收率較高。該類材料有望在能源儲存、催化、生物醫學、吸附等領域具有潛在的應用前景。

本發明提供一種有序介孔碳內嵌金屬原子材料的的制備方法，采用硬模板法制備，包括如下步驟：(1)將金屬陽離子鹽、碳源前驅物和有序介孔模板混勻，進行焙燒；(2)酸浸蝕除去所述模板，得所述有序介孔碳內嵌金屬原子材料。

所述步驟(1)中所述金屬陽離子鹽中的金屬陽離子為釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、釕、銠、鈀、銀、鎘、鈰、鋯、銥、鉑或金中的至少一種；所述金屬陽離子鹽為所述金屬陽離子的硝酸鹽、硫酸鹽、氯化鹽或醋酸鹽中的至少一種。

所述步驟(1)中所述碳源前驅物為多巴胺、苯胺或乙二胺中的至少一種。

所述有序介孔模板為SBA-15、SBA-16、MCM-41、MCM-48、KIT-6中的至少一種。

所述金屬陽離子鹽、碳源前驅物和有序介孔模板質量比為(0.05-3):(0.5-3.5):1；二種以上金屬陽離子鹽中任意兩種金屬陽離子鹽的摩爾比為(1:20)-(20:1)。