專(zhuān)利名稱(chēng)：石墨化多孔碳材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于炭材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是屬于石墨化多孔碳材料的制備方法。
背景技術(shù)：
石墨材料的化學(xué)穩(wěn)定性以及導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能都比較好，但天然石墨材料不
具備多孔結(jié)構(gòu)，比表面積通常不超過(guò)20 m7g，限制了其在一些領(lǐng)域的應(yīng)用。模 板法合成多孔碳是近年來(lái)的研發(fā)熱點(diǎn)之一，通常分為硬模板法和軟模板法。硬 模板通常指的是一些無(wú)機(jī)多孔材料，如氧化硅膠體晶體、分子篩、粘土等，在 合成過(guò)程中模板以固態(tài)形式存在。軟模板指的是有機(jī)表面活性劑或聚合物在水 或有機(jī)溶劑中的形成的超分子結(jié)構(gòu)。硬模板法和軟模板法的合成過(guò)程往往都比 較復(fù)雜，合成成本較高。而且，通常情況下，合成的多孔碳主要為無(wú)定形結(jié)構(gòu)， 石墨化的程度很低。為了得到石墨化程度比較高的多孔碳，需要在較高的溫度 處理(〉200(TC)，但會(huì)造成孔結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。此外，石墨化程度較高的多孔 碳可通過(guò)化學(xué)氣相沉積的方法合成，但常用的碳源化合物乙腈具有很強(qiáng)的毒性。 在模板法合成無(wú)定形多孔炭的基礎(chǔ)上，通過(guò)浸漬催化劑，可以在較低的溫度下 轉(zhuǎn)化為石墨化的結(jié)構(gòu)，并維系一定的孔隙結(jié)構(gòu)，但是合成步驟較多。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種比表面積較高的石墨化多孔碳材料的制備方法。 本發(fā)明的核心在于用穩(wěn)定分散在水溶液中的水合金屬氧化物膠體粒子作為模板，模板在炭化過(guò)程中還起到催化石墨化的作用。方法結(jié)合了軟模板法和硬 模板法的優(yōu)點(diǎn)，但有區(qū)別于一般的軟、硬模板法模板劑與碳源前驅(qū)體通過(guò)液 相中的溶膠-凝膠過(guò)程形成復(fù)合物，這類(lèi)似于軟模板法；但是，使用無(wú)機(jī)粒子作 為模板，這類(lèi)似于硬模板法。
制備過(guò)程如下
將酚溶解在水合金屬氧化物的膠體溶液中，加入甲醛，在20-15(TC反應(yīng) 0. 2-144小時(shí)，將固體產(chǎn)物分離并干燥后，在惰性氣氛中500-240(TC炭化0.2-5 小時(shí)，將得到的產(chǎn)物浸泡在酸中，盡可能的脫除金屬元素，分離得到石墨化多 孔碳材料。
所述的水合金屬氧化物納米粒子指的是弱酸溶解金屬氫氧化物得到的納米 粒子(制備方法參考中國(guó)專(zhuān)利ZL 200510012045. 1)，或者是調(diào)節(jié)溶液酸性部分水 解金屬鹽得到的納米粒子，穩(wěn)定的分散在水中形成膠體溶液。
所述的水合金屬氧化物納米膠體粒子模板中的金屬元素為鐵、鈷、錳、銅 或錳。
所述的酚為苯酚、鄰苯二酚、間苯二酚、對(duì)苯二酚、1， 2， 4-苯三酚或間 苯三酚。
所述的酚與甲醛的摩爾比為l: 1-1: 5。 所述的用于脫除金屬元素的酸為鹽酸、硫酸或硝酸。
本方法制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，產(chǎn)物有較高的石墨化程度，導(dǎo)電導(dǎo)熱性 能良好，具有較大的比較面積(200-600 m7g),在燃料電池、吸附、儲(chǔ)能、催化 等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。而且，由于部分金屬元素被石墨結(jié)構(gòu)完整包覆， 不能被酸浸泡脫除，在最終產(chǎn)物中含有一定程度的單質(zhì)金屬或金屬氧化物。含有金屬鐵或金屬鈷的產(chǎn)物具有磁性，能夠被磁分離，可能在水污染治理或其它 領(lǐng)域得到應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例i制備的石墨化多孔碳材料的x-射線衍射譜圖
圖2為本發(fā)明實(shí)施例2制備石墨化多孔碳材料的拉曼光譜圖
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1
將2. 3克間苯二酚溶解在45克含有0. 04摩爾鈷元素的水和氧化鈷膠體溶 液中(水合氧化鈷溶膠粒子由乙酸與氫氧化鈷反應(yīng)得到)，加入5克濃度為37% 的甲醛，攪拌均勻后，5(TC反應(yīng)0.5小時(shí)，將固體產(chǎn)物過(guò)濾后，在10(TC干燥， 在氮?dú)庵?0(TC炭化2小時(shí)，產(chǎn)物在20%的鹽酸中浸泡24小時(shí)，過(guò)濾，干燥得 到石墨化多孔碳，比較面積約250 m7g,具有磁性。材料的X-射線衍射譜圖如 圖1所示。
實(shí)施例2
將2克苯酚溶解在35克含有0. 04摩爾鐵元素的水和氧化鐵膠體溶液中(水 合氧化鐵溶膠粒子由乙酸與氫氧化鐵反應(yīng)得到)，加入5克濃度為37%的甲醛， 攪拌均勻后，8(TC反應(yīng)4小時(shí)，將固體產(chǎn)物過(guò)濾后，在IOO'C干燥，在氮?dú)庵?80(TC炭化2小時(shí)，產(chǎn)物在10%的鹽酸中浸泡2小時(shí)，過(guò)濾，干燥得到石墨化多 孔碳，比較面積約470 m7g，具有磁性，材料的拉曼光譜圖如圖2所示。實(shí)施例3
將2. 4克間苯三酚溶解在35克含有0. 02摩爾鐵元素的水和氧化鐵膠體溶 液中(水合氧化鐵溶膠粒子由加氫氧化鈉部分水解硝酸鐵得到)，加入4.2克濃 度為37%的甲醛，攪拌均勻后，5(TC反應(yīng)1小時(shí)，將固體產(chǎn)物過(guò)濾后，在10(TC 干燥，在氮?dú)庵?0(TC炭化2小時(shí)，產(chǎn)物在10%的鹽酸中浸泡2小時(shí)，過(guò)濾，干 燥得到石墨化多孔碳，比較面積約330 m7g，具有磁性。
實(shí)施例4
將2. 4克間苯二酚溶解在35克含有0. 04摩爾鐵元素的水和氧化鐵膠體溶 液中(水合氧化鐵溶膠粒子由加氫氧化鈉部分水解硝酸鐵得到)，加入5克濃度 為37%的甲醛，攪拌均勻后，5(TC反應(yīng)1小時(shí)，將固體產(chǎn)物過(guò)濾后，在10(TC干 燥，在氮?dú)庵?0(TC炭化2小時(shí)，產(chǎn)物在10°/。的鹽酸中浸泡2小時(shí)，過(guò)濾，干燥 得到石墨化多孔碳，比較面積約570 m7g，具有磁性。
實(shí)施例5
將2. 3克間苯二酚溶解在35克含有0. 04摩爾錳元素的水和氧化錳膠體溶 液中(水合氧化錳溶膠粒子由乙酸與氫氧化錳反應(yīng)得到)，加入5克濃度為37% 的甲醛，攪拌均勻后，5(TC反應(yīng)2小時(shí)，將固體產(chǎn)物過(guò)濾后，在10(TC干燥，在 氮?dú)庵?00'C炭化2小時(shí)，產(chǎn)物在20%的鹽酸中浸泡24小時(shí)，過(guò)濾，干燥得到 石墨化多孔碳，比較面積約430 m7g。
權(quán)利要求
1.一種石墨化多孔碳的合成方法，其特征在于以水合金屬氧化物納米膠體粒子作為模板，制備方法如下向水合金屬氧化物納米粒子的膠體溶液中加入酚，待酚溶解后再加入甲醛，酚與甲醛發(fā)生縮聚反應(yīng)，在模板周?chē)宦?lián)形成酚醛聚合物，將固態(tài)產(chǎn)物在惰性氣氛中升高溫度炭化與石墨化，冷卻后，在酸溶液中浸泡，分離、干燥后，得到石墨化多孔碳材料。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種石墨化多孔碳的合成方法，其特征在于，作為模板 的水合金屬氧化物納米粒子指的是弱酸溶解金屬氫氧化物得到的納米粒子，或 者是調(diào)節(jié)酸性部分水解金屬鹽得到的納米粒子，發(fā)生酚醛縮聚反應(yīng)之前，穩(wěn)定 的分散在水中形成膠體溶液。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種石墨化多孔碳的合成方法，其特征在于水合金屬氧 化物納米粒子模板中的金屬元素為鐵、鈷、銅或錳。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種石墨化多孔碳的合成方法，其特征在于所述的酚為 苯酚、鄰苯二酚、間苯二酚、對(duì)苯二酚、1， 2， 4-苯三酚或間苯三酚。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種石墨化多孔碳的合成方法，其特征在于所述的酸為 鹽酸、硫酸或硝酸。
全文摘要
本發(fā)明為一種石墨化多孔碳材料的制備方法。以分散在水溶液中的水合金屬氧化物納米粒子作為模板，通過(guò)酚醛前軀體在模板相周?chē)目s聚反應(yīng)，形成金屬氧化物-有機(jī)聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)，在隨后的高溫炭化過(guò)程中，在金屬的催化作用下形成石墨化結(jié)構(gòu)，用酸溶解金屬后，即得到石墨化多孔碳材料，部分材料具有磁性。該類(lèi)材料可應(yīng)用于電池、吸附、催化、水污染去除等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)C01B31/02GK101492159SQ20091007975
公開(kāi)日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2009年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月11日
發(fā)明者熾 何, 李蘭冬, 李進(jìn)軍, 燕 梁, 杰 程, 琴 胡, 豆寶娟, 郝鄭平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心