[發明專利]多孔碳材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201811140143.7
• 申請日: 2018-09-28
• 公開（公告）號: CN109250702B
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 劉濤;羅姜姜;姚艷波
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;H01G11/24;H01G11/32;B01J20/20;B01J20/30;C02F1/28;C02F101/36;C02F101/38
• 代理公司: 蘇州市中南偉業知識產權代理事務所(普通合伙) 32257
• 代理人: 馮瑞;楊慧林

本發明公開了一種多孔碳材料的制備方法，包括以下步驟：(1)提供由可碳化材料制備成的薄膜；(2)采用激光直寫碳化技術對所述薄膜進行原位碳化，以在薄膜上形成預定形狀的碳化區域；(3)將原位碳化后的薄膜浸泡于溶劑中，使得所述碳化區域自發地從薄膜上脫離，即得到所述多孔碳材料。本發明還公開了所述多孔碳材料及其應用。本發明的多孔碳材料的制備方法，工藝簡單、無需模板，能夠得到可控形狀的多孔碳材料。

技術領域

本發明涉及碳材料技術領域，具體涉及一種多孔碳材料及其制備方法和應用。

背景技術

不同尺寸形狀和孔隙結構的多孔碳顆粒/膜具有一系列優異特性，如高表面積、熱穩定性和機械穩定性好，可調節的電氣/電子特性，易于物理和化學功能化以及低密度的特性。這些特性使其在諸多領域中應用廣泛，例如電能存儲中的電極，催化劑載體基板，藥物輸送或細胞運輸，用于去除水處理中的染料和其他污染物，用于儲氫和CO₂吸附，電磁波吸收，還可作為具有新特性的復雜結構金屬-有機骨架復合材料的構件。

用于生產多孔碳材料的傳統方法通常包括現有碳材料的化學和物理活化、碳前體的催化活化、聚合物共混物的碳化、以及有機氣凝膠的熱解、含氟聚合物脫氟和金屬碳化物的氯化。然而，上述方法無法精確控制多孔碳顆粒/膜的尺寸、形狀和孔結構。近年來開發了諸多新型制備方法以獲得可控形狀、均一尺寸的多孔碳顆粒/膜。各種模板方法，包括硬模板和軟模板，通常涉及以非原位或原位方式創建模板結構，該方法步驟多、制備方法繁瑣，后續需去模板程序。此外，一些研究人員發現了一些通過合理選擇碳前體、溶劑、催化劑和碳化方法的無模板生產多孔碳顆粒/膜的方法。但是，這些無模板法在多孔碳顆粒/膜的形狀尺寸控制方面缺乏靈活性和通用性。除了上述缺點之外，先前開發的模板法和無模板法通常只能實現球形或空心球形等單一形狀的多孔碳顆粒/膜。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種多孔碳材料的制備方法，該制備方法工藝簡單、無需模板，能夠得到可控形狀的多孔碳材料。

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種多孔碳材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)提供由可碳化材料制備成的薄膜；

(2)采用激光直寫碳化技術對所述薄膜進行原位碳化，以在薄膜上形成預定形狀的碳化區域；

(3)將原位碳化后的薄膜浸泡于溶劑中，使得所述碳化區域自發地從薄膜上脫離，即得到所述多孔碳材料。

本發明中，薄膜基體與碳化區域在所述溶劑中會表現出物理化學性質上的差異，(如表面張力、溶解/溶脹特性、力學性能等)，從而使得薄膜基體與碳化區域之間的產生界面應力，導致碳化區域自發地從薄膜基體上脫離，從而形成了自支撐的、形狀和尺寸可控的多孔碳材料。得到的多孔碳材料可為碳顆粒或碳膜。

本發明中，所述可碳化材料可采用本領域公開已知的任何能夠在激光照射下發生碳化的材料，包括但不限于合成高分子材料及其衍生物、天然高分子材料及其衍生物。

作為優選，所述可碳化材料選自下述材料中的任意一種：

(i).聚氨酯、木質素、纖維素、木質素磺酸鈉；

(ii).(i)中材料的衍生物。

作為優選，所述薄膜為由所述可碳化材料制成的純膜或由所述可碳化材料和其他組分復合制成的復合膜。其中，所述其他組分為能夠與所述可碳化材料復合形成薄膜的任何材料，包括可碳化的材料或不可碳化的材料。

作為優選，所述復合的方式選自溶液共混、溶液吸附、熔融共混中的任意一種或一種以上的組合。

作為優選，所述薄膜的制備方法選自刮涂、旋涂、噴涂、滴涂、澆筑中的任意一種。

本發明中，所述薄膜可為自支撐薄膜或具有支撐基底的薄膜。