[发明专利]一种中空介孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种中空介孔碳材料及其制备方法和应用。本发明提供的方法为：选取富含羟基的介孔二氧化硅作为硬模板，接着将碳前驱体填充到二氧化硅模板中，然后在惰性气氛或者真空条件下热解，经过氢氟酸或者热氢氧化钠溶液脱除二氧化硅模板，得到高表面积、大孔容以及孔径可调的中空介孔碳材料。本发明有效解决了以往中空介孔碳材料制备流程复杂、碳前驱体可选择性少等问题。更重要的是，本发明开发了一种简单的方法用于制备一系列杂原子掺杂的有序中空介孔碳材料。这一类杂原子掺杂的有序中空介孔碳材料具有广泛的潜在应用。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种中空介孔碳材料的制备方法。

背景技术

中空介孔碳材料，比如CMK-5,CMK-9，具有高比表面积(～2500m²/g)、大孔容(2.0cm³/g)以及孔径可调等优点，因此被广泛地应用到能量存储与转换、气体纯化与分离、环境治理等方面。最初的中空碳材料是通过纳米浇铸的方法制备的，但采用这种方法来制备中空介孔碳材料，其制备流程较为复杂，并且缺乏可以替代的碳前驱体。

杂原子(如硼、氮、磷或者硫)掺杂的有序介孔碳材料是一类非常重要的材料，因为这类材料可以用作锂、钠、钾离子电池的负极材料，良好的催化剂或者催化剂载体，以及用于吸附环境中的重金属离子。然而如何制备成空心结构使其具有更高的比表面积、孔体积和杂原子掺杂的中空有序介孔碳材料仍然是一个重大的挑战，成功的案例还十分有限。目前关于杂原子掺杂中空介孔碳材料的制备方法只要有两种，一是化学气相沉积法(CVD)，科研工作者已经通过这种方法制备出氮掺杂的中空有序介孔碳材料，然而这种方法存在着两个问题：1)用来作为催化剂的金属离子难以彻底去除，因此在作为催化剂时，会影响催化剂活性中心的研究；2)这种方法难于大规模生产。另一种方法是纳米浇铸的方法，该方法使用铝离子修饰过的SBA-15作为模板，以2-噻吩甲醇作为碳前驱体，经过炭化、脱模后，得到硫掺杂中空有序介孔碳材料。但是这种方法操作过程较为繁琐，并且碳源较为单一。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种中空介孔碳材料及其制备方法和应用。

本发明提出了一种简单、可大规模生产的中空介孔碳材料的制备方法。本发明碳源适应性广泛(如：糠醇、酚醛树脂、2-噻吩甲醇、盐酸多巴胺、酪氨酸、吡咯、吡啶、噻吩)，选取不同的碳源，可以制备出一系列杂原子(例如：氮和硫)掺杂的中空有序介孔碳材料。更重要的是，该方法操作简便，可批量制备。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种中空介孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将碳前驱体和对应的催化剂溶解在溶剂中，加入富含羟基的介孔模板，搅拌均匀后，加热聚合，聚合完毕挥发剩余的溶剂，得到聚合前驱体与模板的复合物；

2)将聚合前驱体与模板的复合物，在惰性气氛或者真空条件下高温热解，然后自然降温；

3)将步骤2)的产物加入氢氟酸或者热氢氧化钠溶液中，除去二氧化硅模板；

4)将步骤3)的产物通过干燥去除剩余的溶剂，即可得到中空介孔碳材料。

进一步，所述富含羟基的二氧化硅模板为有序或者无序介孔二氧化硅模板。

更进一步，所述富含羟基的二氧化硅模板包括SBA-15、KIT-6、FDU-12、MCF、MCM-41以及硅胶。

进一步，所述步骤1)中碳前驱体包括糠醇、酚醛树脂、2-噻吩甲醇、盐酸多巴胺、酪氨酸、吡咯、吡啶和噻吩。

更进一步，步骤1)中，盐酸多巴胺或者酪氨酸作为前驱体，其溶液在50～90℃下密封搅拌3小时，然后在50～90℃挥发溶剂。