一种几十克级多级孔单分散200～300nm碗形碳材料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于纳米材料制备技术领域，具体设及一种几十克级多级孔单分散200~ SOOnm的碗形碳材料的制备方法。
【背景技术】
[0002] 微-介孔碳材料具有独特的孔结构，大的比表面积，较强的吸附能力W及化学、热 力学稳定性，在光学、电子、生物、催化、医疗等领域得到了广泛的应用。近年来，国内外研究 者对其进行了大量的研究，介孔材料科学已经成为国际上跨化学、物理、材料、生物等学科 交叉的热点研究领域之一，更成为材料科学发展的一个重要里程碑。目前，介孔碳可W分为 两大类:有序介孔碳和无序介孔碳。有序介孔碳制备过程耗时长，条件难W控制，而且产量 极低，仅限于实验室内制备和使用。无序介孔碳的制备过程虽然相对简单，但是其形貌难W 控制，而形貌不同往往会导致性能差异。因此，制备规整形貌的介孔碳显得尤为重要。而国 内外关于介孔碳的制备方法主要有软模板法和硬模板法。软模板法是嵌段共聚物与表面活 性剂之间通过氨键、静电或者相互作用自组装成规整的介观结构，此方法不仅要求表面活 性剂与碳前驱体有较强的相互作用，还能在碳化过程中分解除去，而且碳前驱体也需要自 身聚合形成具有一定机械强度的=维网络结构的高分子骨架结构，保证在除去表面活性剂 后骨架结构不会倒塌。并且该方法对碳前躯体和表面活性剂的选择要求比较高，且碳化过 程损失较多，产量较低，耗时长，不适宜批量化生产。硬模板法是W正娃酸乙醋水解生成的 Si化与表面活性剂组装成一定的结构作为模板，再加入合适的碳源通过浸溃法或CV的去制 得娃碳复合物，之后用化师容液或HF溶液刻蚀去除Si化模板，即可得到介孔碳。硬模板法是 无机模板的反相复制，可通过改变模板的空间大小、形状W及结构对材料进行可控调控，但 是此合成方法耗时长，步骤繁多，去除模板时容易使之塌陷。通常情况下，用运两种方法制 备的介孔碳是球形的，产量较低。然而制备产量、高比表面积的碗形介孔碳未见报道。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有微-介孔碳材料制备方法存在的易团 聚、形貌不可控、产量低、合成步骤复杂等问题，提供一种简单易行、成本低，可W制备几十 克级粒径为200~300nm的多级孔单分散碗形碳材料的方法。
[0004] 解决上述技术问题所采用的技术方案是：向无水乙醇和水的混合体系中加入 N也?也0、十六烷基=甲基漠化锭、间苯二酪、正娃酸乙醋和质量分数为37%的甲醒水溶液， 其中十六烷基S甲基漠化锭与正娃酸乙醋、间苯二酪、甲醒、畑3 ?出0的摩尔比为1:7.5~ 8.5:1.0~3.5:2.5~7.5:5~6，揽拌均匀，在80~100下水热反应12~36小时，离屯、分离，干 燥，将所得粉体在化气氛中700~900 °C碳化1~2小时，然后用1~3mo 1/L的化OH水溶液超声 处理1~2小时，得到粒径为200~300nm的多级孔单分散碗形碳材料。
[0005] 上述的无水乙醇与水的体积比为1:1.5~4,优选无水乙醇与水的体积比为1:2.5。
[0006] 上述的十六烷基S甲基漠化锭、正娃酸乙醋、间苯二酪、甲醒、N出.出0的摩尔比优 选为 1:8.05:3.35:6.95:5.25。
[0007] 上述的NaOH水溶液的浓度优选为3mo 1 /L。
[000引本发明优选在100°C下水热反应12~36小时，最佳选择在100°C下水热反应24小 时。
[0009] 本发明最佳选择将所得粉体在化气氛中850°C碳化2小时。
[0010] 与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
[0011] 1、本发明方法能耗低，成本低，环境友好，操作简单。
[0012] 2、本发明所制备的多级孔单分散碳材料为粒径200~3(K)nm的碗形结构，且其上分 布有大量无序的孔，粒径分布均匀，孔径分布较窄，比表面积较大。
[0013] 3、本发明方法一次可制备几十克级的产品，产品产量高，且所得产品的形貌规整， 分散性好，无团聚现象发生，适合规模化生产，在催化剂载体方面具有潜在的应用前景。
【附图说明】
[0014] 图1是实施例1制备的多级孔单分散碗形碳材料的TEM图。
[001引图視实施例1制备的多级孔单分散碗形碳材料的沈M图。
[0016] 图3是实施例1制备的多级孔单分散碗形碳材料的化等溫物理吸附曲线。
[0017] 图4是实施例1制备的多级孔单分散碗形碳材料的孔径分布图。
[0018] 图5是实施例2制备的多级孔单分散碗形碳材料的TEM图。
[0019]图6是实施例3制备的多级孔单分散碗形碳材料的TEM图。
[0020]图7是实施例4制备的多级孔单分散碗形碳材料的TEM图。
[0021 ]图8是实施例5制备的多级孔单分散碗形碳材料的TEM图。
[0022] 图9是实施例6制备的多级孔单分散碗形碳材料的TEM图。
[0023] 图10是实施例6制备的多级孔单分散碗形碳材料的化等溫物理吸附曲线。
[0024] 图11是实施例6制备的多级孔单分散碗形碳材料的孔径分布图。
[0025] 图12是实施例7制备的多级孔单分散碗形碳材料的TEM图。
[0026] 图13是实施例7制备的多级孔单分散碗形碳材料的化等溫物理吸附曲线。
[0027] 图14是实施例7制备的多级孔单分散碗形碳材料的孔径分布图。
[0028] 图15是实施例8制备的多级孔单分散碗形碳材料的TEM图。
[0029] 图16是实施例8制备的多级孔单分散碗形碳材料的化等溫物理吸附曲线。
[0030] 图17是实施例8制备的多级孔单分散碗形碳材料的孔径分布图。
[0031 ]图18是实施例9制备的多级孔单分散碗形碳材料的TEM图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但是本发明要求保护的范围并 不局限于运些实施例。
[0033] 实施例1
[0034] 向15mL水和6mL无水乙醇的混合溶液中加入0.15血(2.16mmol)质量分数为27%的 N出?此0、0.15g(0.41mmol )CTAB、0.15g( 1. ：34mmol)间苯二酪，揽拌均匀，然后加入0.75mL (3.30mmol)TE0S，揽拌10分钟，再加入0.21血(2.85mmol)质量分数为37%的甲醒水溶液，揽 拌均匀，在l〇〇°C下水热反应24小时，离屯、分离，固体在80°C下干燥10小时，将干燥后所得粉 体在化气氛中850°C碳化2小时，然后将碳化后的粉体加入15mL 3mo 1/L的化OH水溶液中常 溫超声处理2小时，所得产物用去离子水洗涂至中性后用无水乙醇洗涂=次，80°C恒溫干燥 10小时，研磨，得到0.1 g多级孔单分散碗形碳材料。
[0035] 所得到的产物采用JEM-2100(化pan)型透射电子显微镜、冷场发射扫描电子显微 镜阳TEM(SU8020)和全自动比表面积及微孔物理吸附仪(QUAS0RB-SI-4,美国Quan化C虹ome 公司）进行形貌W及比表面积和孔结构、孔径、孔容表征，结果见图1~4。由图1和图2可知， 产物为分散性好、尺寸为200~250nm的碗形结构，且其上分布有大量无序的孔。根据图3用 BET方法计算所得产物的比表面积为2822m2g-i，利用2D-NLDFT模型计算的孔容为2.8cm3g-i， 由图4的孔径分布图可W看出产物为多级孔纳米碳材料，有15A左右的微孔，也有38A和 少量320A左右的介孔。
[0036] 实施例2
[0037] 向15mL水和6mL无水乙醇的混合溶液中加入0.15血(2.16mmol)质量分数为27%的 N出?此0、0.15邑（0.41111111〇1)別48、0.05邑（0.45111111〇1)间苯二酪，揽拌均匀，然后加入0.751111 (3.30mmol )TE0S，揽拌10分钟，再加入0.07血(0.95mmol)质量分数为37 %的甲醒水溶液，揽 拌均匀，在l〇〇°C下水热反应24小时，离屯、分离，固体在80°C下干燥10小时，将干燥后所得粉 体在化气氛中850°C碳化2小时，然后将碳化后的粉体加入15mL 3mo 1/L的化OH水溶液中常 溫超声处理2小时，所得产物用去离子水洗涂至中性后用无水乙醇洗涂=次，80°C恒溫干燥 10小时，研磨，得到230~300nm的多级孔单分散碗形碳材料(见图5)。
[003引实施例3
[0039] 向15mL水和6mL无水乙醇的混合溶液中加入0.15血(2.16mmol)质量分数为27%的 N出?此0、0.15邑（0.41111111〇1)別48、0.10邑（0.90111111〇1)间苯二酪，揽拌均匀，然后加入0.751111^ (3.30mmo 1) TEOS，揽拌10分钟，再加入0.14mL (1.90mmo 1)质量分数为37 %的甲醒水溶液，揽 拌均匀，在l〇〇°C下水热反应24小时，离屯、分离，固体在80°C下干燥10小时，将干燥后所得粉 体在化气氛中850°C碳化2小时，然后将碳化后的粉体加入15mL 3mo 1/L的化OH水溶液中常 溫超声处理2小时，所得产物用去离子水洗涂至中性后用无水乙醇洗涂=次，80°C恒溫干燥 10小时，研磨，得到290~300nm的多级孔单分散碗形碳材料(见图6)。
[0040] 实施例4
[0041 ] 向12mL水和SmL无水乙醇的混合溶液中加入0.15血(2.16mmol)质量分数为27%的 N出?此0、0.15g(0.41mmol )CTAB、0.15g( 1. ：34mmol)间苯二酪，揽拌均匀