[发明专利]一种具有微孔及有序介孔的氧化硅/碳纳米材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机合成微-介孔材料领域，特别涉及一种具有微孔及有序介孔的氧化硅/碳纳米材料的制备方法。

背景技术

多孔性材料在目前的科学技术领域得到了广泛的研究，包括水和空气的纯化，分离，催化，传感器、半导体材料和能源的存储和转化等。由于它具有高的比表面积，大的孔体积，较好的化学和热力学稳定性等特点，尤其有序的介孔材料具有孔径分布较窄且孔径大小和空间结构能够在很宽的范围内进行调节。

氧化硅/碳纳米材有独特的化学、热力学和机械稳定性等特点，并且受到越来越多的学者的关注。其合成方法较多，Shi Yifeng等人(Chem.Mater.,2007,19:1761-1771)合成的介孔硅SBA-15材料作为硬模板，通过有机溶剂蒸发纳米浸渍法将聚硅氧烷浸渍到介孔中，其合成的氧化硅/碳材料有较好的单一有序介孔。但是，该合成方法的合成步骤多，需要高温等条件等不足。一步合成方法简单易操作，因此Tamayo Aitana等人(Journal of Non-Crystalline Solids,2010,356:1742-1748)将正硅酸乙酯与聚合物通过溶胶-凝胶一步合成得到大孔的混合材料，制备的过程经过溶胶、水解、聚合等，混合材料充分混合了有机和无机两个部分。但是这种混合材料，孔径为大孔且孔径分布范围广，将限制混合材料的广泛的应用。除了通过有机-无机混合交联制备氧化硅/碳纳米材料以外，Assefa等人(Ceramics International,2016,42:11805-11809)利用两种有机聚硅氧烷进行交联，一步合成出混合材料，但是该材料具有碳化温度高、比表面积小、孔径分布范围广等问题。Mietek Jaronie等人(J.Mater.Chem.,2012,22:12636-12642)在文章中考察了加入正硅酸乙酯的作用，正硅酸乙酯和酚醛树脂(RF)的结合有助于增加碳球微孔的比表面积。我们研究组之前的工作(Langmuir 2017,33:1248-1255)在碳材料的合成也验证了上面的结论，正硅酸乙酯不仅仅可以作为微孔的制孔剂，也可以起到介孔碳材料的协助制孔作用。Dai等人(Nano Lett.2013,13:207-212)利用正硅酸乙酯(TEOS)、间苯二酚(R)和甲醛(F)的共聚，并以十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)作为模板剂制备出具有介孔的碳球。基于上面的研究，提出了二氧化硅协助自组装制备机理，二氧化硅表面的阴离子和阳离子模板剂有很强的相互作用力，这是成功制备介孔的关键。Sun等人(Chem.Commun.,2015:51-10517)同样用上面的方法，基于溶胶-凝胶的反应过程制备出介孔碳球。Yu等人(J.Mater.Chem.A,2016:4-9063)采用正硅酸乙酯(TEOS)和多巴胺共聚，基于slica-polymer的原理，去除硅后产生介孔空心碳球。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种具有微孔及有序介孔的氧化硅/碳纳米材料的制备方法，解决了碳纳米材料难功能化，合成过程复杂以及积碳残留等问题。

本发明提供一种具有微孔及有序介孔的氧化硅/碳纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将模板剂溶解，然后依次加入间苯二酚和甲醛，再加入硅烷偶联剂，最后加入氨水，得到凝胶；

步骤2、将得到的凝胶装入反应釜中进行晶化，而后抽滤、洗涤至中性，然后干燥；

步骤3、将步骤2得到的样品进行回流，脱除模板剂；

步骤4、将步骤3得到的样品于惰性气体气氛下焙烧，最终得到具有微孔和有序介孔的氧化硅/碳纳米材料。

所述制备方法具体为：

步骤1、向2-3g模板剂中加入54-104mL水和0-50mL无水乙醇，使其溶解，然后依次加入0.984-3.28g分析纯的间苯二酚和372-1240μL质量分数为37-40％的甲醛，再逐滴加入4-10mL的硅烷偶联剂，其中硅烷偶联剂的质量分数满足其对应SiO₂的质量分数为28％以上，最后滴加1200-2400μL质量分数为25％-28％的氨水，得到凝胶；

步骤2、将得到的凝胶装入反应釜中进行晶化，在80-120℃烘箱中晶化20-30h，然后抽滤、洗涤至中性，然后放入烘箱中干燥；

步骤3、所得样品加入到200mL无水乙醇与1.5mL质量分数为36-38％的盐酸溶液所形成的混合溶液中，70-80℃回流，脱除模板剂；