[发明专利]一种用丝网为骨架制备多孔碳复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及多孔材料领域，具体涉及一种用各种材质的丝网或者筛网为骨架，制备具有多级孔道结构的碳复合材料的方法。 

背景技术

由表面活性剂为生孔剂组装得到的纳米孔材料具有大的比表面积和孔容、可调的孔径以及可控的形貌，在各类物质的吸附、分离、催化以及光电微器件等方面有广阔的应用前景，受到了人们的广泛重视。在这一纳米孔材料大家族中，多级孔结构的碳材料更加引人注目。除了具有上述优异性能外，多级孔结构的碳材料同样在电容器、太阳能电池、锂电池、燃料电池等新能源领域显示出广阔的应用前景。以往采用纳米孔氧化硅作为硬模板，选用适宜的碳源浇铸，经碳化后除去硬模板的方法制备纳米孔碳材料，但是这种硬模板法制备纳米孔碳材料的方法工序复杂，成本高昂。 

文献报导一种有机共组装的方法，直接由表面活性剂导向合成纳米孔碳材料。这种方法省去了制备纳米孔氧化硅硬模板的步骤，具有广阔的应用前景。该法是基于溶剂挥发共组装的过程，人们发现这种组装一般在界面上进行才能产生纳米孔结构。因此，目前该过程局限于在平坦的载体或者容器的表面组装：即将表面活性剂和碳源的溶胶铺展在玻璃片上或者玻璃器皿内等，然后通过挥发溶剂组装制备纳米 孔碳材料。这样该方法还存在较多限制：例如需要从基底表面刮取收集产品，再进行后续处理；在实际应用中，尚需要经过成型加工，步骤环节多，产品的利用率偏低等。为此，尽管人们也提出了采用水热法先组装制备多孔高分子材料，然后通过碳化来制备纳米孔碳材料，但是该方法反应周期长，操作复杂，所得材料孔径偏小，同样面临成型加工的应用障碍。这些缺点都对纳米孔碳材料的规模化生产和广泛应用形成了不便。 

发明内容

本发明的目的是提供一种用丝网为骨架制备多孔碳复合材料的方法，它用各种材质的丝网或者筛网等为骨架，制备多级孔结构的碳复合材料，该方法成本低廉，省时省力，产品便于成型，适用性广泛。 

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：它的制备方法为：a、以阳离子、阴离子以及非离子表面活性剂为生孔剂；b、首先将表面活性剂加入到溶剂中，得到表面活性剂溶液；c、强力搅拌下再加入碳源，碳源分散于表面活性剂溶液中，得到反应溶胶；d、将该反应溶胶附着于丝网骨架上，再于室温放置保持空气流通促使溶剂挥发，发生共组装得到纳米孔结构；e、再经过热聚合加工，由表面活性剂、碳源和丝网形成复合材料；f、在惰性气氛中除去表面活性剂后高温碳化制得多孔碳复合材料。 

本发明中，所述的表面活性剂可以为：季铵盐型阳离子表面活性剂；胺盐型阳离子表面活性剂；杂环类阳离子表面活性剂；阴离子表面活性剂；非离子表面活性剂；具有烷基链段的环氧乙烯醚型表面活 性剂。 

本发明中，所述的溶剂为水、工业酒精、甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇、异丙醇、四氢呋喃、乙醚、乙腈、丙酮等溶剂之一以及它们的混合物。 

本发明中，所述的碳源可以为由对羟基苯丙酮、对羟基苯丙胺、对羟基苯甲酸、苯酚、间苯二酚、对苯二酚、邻苯二酚、糠醇或者它们的混合物与聚甲醛、甲醛形成的预聚体。也可以是分子量为150～7000的聚酰亚胺、聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、聚乙烯基吡啶等商品中的一种或几种。 

上述方法中，所述的碳源分散于表面活性剂溶液中的步骤为：将表面活性剂加入溶剂中，搅拌15-300分钟，使之形成溶液；再将碳源加入到上述溶液中，继续反应15-360分钟，其中所用表面活性剂、碳源与溶剂的摩尔比为：1：(0.1～4000)：(300～80000)。 

上述方法中，所述的碳源的制备方法如下：首先将对羟基苯丙酮溶于70℃的水中形成溶液；将苯酚在41℃融解，再先后加入20％的氢氧化钠溶液和25％的氨水并搅拌，滴加水溶性聚甲醛和甲醛到上述溶液中，在68-71℃的水浴中聚合反应50分钟，然后加入预先配好的对羟基苯丙酮水溶液，接着在71℃聚合15分钟，以稀盐酸中和至中性，冷却到室温，上述是在常压条件下进行；最后在40-52℃的条件下减压除水，以有机溶剂稀释后除去氯化钠，即得反应所需的碳源。 

本发明中，碳源和生孔剂的组装随着溶剂挥发在丝网骨架表面上进行，所采用骨架材料可以为各种材质的丝网、筛网、合金丝网、金 属板网、玻璃纤维网、塑料网等。 

本发明中，所述的步骤c中溶剂挥发是在室温-50℃环境中进行0-240小时，所述的热聚合加工是在40-160℃空气、氮气、氩气中进行0-240小时。