[發明專利]一種形貌及孔結構可控的炭材料的制備方法

在審

• 申請號: 201810531149.0
• 申請日: 2018-05-29
• 公開（公告）號: CN108622874A
• 公開（公告）日: 2018-10-09
• 發明（設計）人: 吳瓊;于世濤;張高月;馬光清;武英東;賈明凱
• 申請（專利權）人: 青島科技大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05
• 代理公司: 青島中天匯智知識產權代理有限公司 37241
• 代理人: 郝團代

一種形貌及孔結構可控的炭材料的制備方法，其特征在于：以海洋生物質資源海藻、貝殼中富含的甲殼素及其衍生物殼聚糖為原材料，選取不同的化合物包括嵌段共聚物、不同種類的離子液體等中的一種或幾種為模板劑，采用軟模板輔助水熱的方法，將原料與模板劑在一定溫度下混合溶解均勻，后轉移到水合釜中，水熱環境下高溫高壓處理一段時間后得到炭材料的前驅體，離心干燥后在惰性氛圍下高溫碳化，得到具有不同形貌和孔結構且可調的炭材料，通過調節反應參數，比表面積達到931?1629m²/g。本操作工藝的主要特點為利用海洋生物質資源，采用綠色環保的軟模板/水熱體系，將海洋生物質資源轉化成高附加值的功能性炭材料。

所屬技術領域：

本發明涉及納米材料制備領域，特別是涉及一種形貌及孔結構可控的炭材料的制備方法

背景技術：

功能性納米炭材料被廣泛應用于儲能，電池，超級電容器等領域，尤其是具有特殊形貌、孔結構的炭材料，通常因為比表面積及多級孔孔徑分布可調，熱穩定性和導電性優異等性能，受到學者越來越多的青睞。典型的納米炭材料包括0D炭量子點，1D碳納米管，2D石墨烯及3D石墨烯骨架的炭材料。其中炭量子點由于小尺寸效應(粒徑小于10nm)具有許多別的材料不具有的優異特性；碳納米管是由呈六邊形排列的碳原子構成的數層到數十層的同軸圓管，特殊的形貌和結構使其在超導、工程材料、復合材料領域具有廣闊的應用前景。石墨烯材料內部碳原子以sp雜化軌道成鍵，每個碳原子都貢獻一個位于pz軌道上的未成鍵電子，近鄰原子的pz軌道與平面成垂直方向可形成π鍵，新形成的π鍵呈半填滿狀態，因此具有優良的導電和光學性能，被認為是一種未來革命性的材料。但是上述性能優良的炭材料目前主要的制備方法還停留在電化學法、強酸條件下氧化還原法等傳統化學手段，制備成本高、工藝復雜且環境不友好阻礙了它們的大范圍推廣使用。因此探索出成本低、制備工藝簡單且形貌和孔結構可調控的炭材料具有一定意義。

海洋生物質資源儲量豐富，是能夠取代石油、煤等能源的可再生資源。甲殼素廣泛存在于海藻、蝦、蟹等海洋生物外殼中，是地球上存量極為豐富的自然資源，是一種線型的高分子多糖，由1000～3000個乙酰葡萄糖胺基本結構單元通過β-1，4糖甙鏈相互連接而成的聚合物，具有穩定六元環結構單元。以其為碳源通過調節添加模板劑的種類和比例能夠保留其穩定的芳環結構，同時結構重組形成具有不同形貌的高穩定性的炭材料，得到功能化炭材料同時實現海洋生物質資源的高效利用與資源轉換。

公開號為CN104437373A的中國專利介紹了一種納米片狀含氮多孔炭材料的制備方法，將堿和水溶性含胺基化合物溶解在水中，加入纖維素及其衍生物，混合干燥后得到纖維素或其衍生物包裹的堿與水溶性含胺基化合物結晶復合物，氮氣保護下進行炭化，洗滌炭化產物獲得納米片狀含氮多孔炭材料。調節堿與原料的比例可以有效調節納米片多孔炭的比表面積、孔結構及片層厚度等。該法流程簡單，易操作，反應需要堿做溶劑，并用酸清洗炭化產物，會對環境造成一定的負擔。

公開號為CN104307383A的中國專利介紹了一種落葉松基有序球形孔結構炭膜的制備方法，以落葉松木屑為原料，以苯酚為液化劑，在酸性條件下，將落葉松液化得到落葉松液化物，與甲醛在堿性條件下反應生成落葉松基樹脂，以P123為軟模板，酸性條件下生成落葉松基有序球形孔結構炭膜中間相，氮氣保護下高溫煅燒得到產品，產物以生物質資源為原料，內部結構可控，得率高，反應需要使用大量的苯酚和甲醛，限制了實際生產應用。

公開號為CN104944411A的中國專利提供了一種采用軟模板制備納米介孔炭微球的方法。將結構導向劑和碳源加pH＝12的堿性溶液中混合，組裝成復合體，然后對復合體進行加熱老化，隨后將老化產物進行炭化，得到納米介孔炭微球。反應條件相對較溫和，比表面積和孔道結構可控，但是反應要在強堿環境下進行，同時老化需要消耗較長時間，增加了工藝的工序。