一种均一微孔炭微米花及其普适性制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种均一微孔炭微米花及其普适性制备方法和应用，所述均一微孔炭微米花由二醛基类化合物与二氨基苯化合物通过溶液自组装法制得的微孔炭微米花前驱体高温炭化制得。所述均一微孔炭微米花具有三维纳米网络结构，直径为10～15μm，花瓣层厚度为10～20nm，微孔大小为0.4～0.6nm。该发明专利技术制备工艺简便；所述的炭微米花具有高比表面积、高孔容以及大量微孔等特点；并且纳米花尺寸均一。该方法制备的杂原子掺杂的炭微米花具有独特的催化特性，在能源、催化、吸附、生物医学等诸多领域具有广泛的应用前景。

A Uniform Microporous Carbon Microflower and Its Universal Preparation Method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种均一微孔炭微米花及其普适性制备方法和应用
本专利技术属于纳米材料领域，尤其涉及一种均一微孔炭微米花及其普适性制备方法和应用。
技术介绍
微孔炭微米花是一类具有微孔结构、形貌类似花瓣形状的纳米材料。作为一种多孔炭材料，由于具有比表面积高、吸附能力强、化学性质稳定、骨架电导性好、孔结构及表面化学性质可调等优点，在能源、吸附、催化、分离和环境以及生物医药等领域有着广泛的应用潜力。目前，制备微孔炭微米花的主要方法为模板法，包括硬模板法和软模板法。通常用到的硬模板主要为氧化锌或二氧化硅；软模板剂主要为聚合物，如聚丙烯腈，聚酰胺酸等。相对于硬模板法，免模板法具有合成步骤少、工艺简单、低成本等优点。更重要的是，硬模板法涉及复杂的模板刻蚀和洗涤步骤，需要用到大量的有机溶剂，不利于环保，而免模板法只需简单的升温炭化即得到微孔炭微米花。然而，到目前为止，所有通过免模板法制备的微孔炭微米花普遍存在制备条件苛刻(如需要高温高压)、可采用的单体少以及无法进行杂原子调控等问题。众所周知，在储能领域中高比表面积、大量微孔能够提高材料电导率、缩短离子传输距离，不同的杂原子掺杂能调控炭材料的电子结构，从而极大提高电化学性能。因此，如何实现简易制备兼具高表面积、大量微孔结构、尺寸均一和杂原子可控掺杂的微孔炭微米花依然是该领域的一个研究热点。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中的不足之处，提供了一种均一微孔炭微米花及其普适性制备方法和应用。所述的微孔炭微米花制备工艺简单，且具有高比表面积，高孔容，大量微孔，并且纳米花尺寸均一，杂原子可调控。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种均一微孔炭微米花，所述均一微孔炭微米花由二醛基类化合物与二氨基苯化合物通过溶液自组装法制得的微孔炭微米花前驱体高温炭化制得。优选地，所述的二醛基类化合物包括二醛基噻吩、二醛基吡啶、二醛基呋喃、二醛基苯中的一种或几种。优选地，所述的二氨基苯化合物包括对苯二胺、联苯胺、二氨基二苯醚、二氨基二苯硫醚中的一种或几种。优选地，所述的均一微孔炭微米花具有三维纳米网络结构，直径为10～15μm，花瓣片层厚度为10～20nm，微孔大小为0.4～0.6nm。优选地，所述均一微孔炭微米花的比表面积为517～590m2/g，总孔容为0.29～0.43cm3/g。进一步优选地，所述均一微孔炭微米花的微孔孔容为0.19～0.22cm3/g，外部孔孔容为0.07～0.21cm3/g。第二方面，本专利技术提供了一种均一微孔炭微米花的普适性制备方法，包括以下步骤：(1)将二醛基类化合物和第一溶剂混合得到溶液一，将二氨基苯化合物和第二溶剂混合得到溶液二，将溶液一与溶液二混合，再加入引发剂，反应30～60min，经过滤、洗涤、干燥得到微孔炭微米花前驱体；(2)将步骤(1)中制得的微孔炭微米花前驱体在气体流速为300～500ml/min的惰性气体氛围下，以4～6℃/min的升温速率升温至800～1000℃，炭化1～3h，得到均一微孔炭微米花。优选地，步骤(1)中所述的二醛基类化合物包括二醛基噻吩、二醛基吡啶、二醛基呋喃、二醛基苯中的一种或几种。优选地，步骤(1)中所述的第一溶剂包括二氧六环、二氯甲烷、四氢呋喃、甲醇、氯仿、丙酮、乙醇、二氯乙烷中的一种或几种。优选地，步骤(1)中所述的二醛基类化合物与第一溶剂的摩尔体积比为0.2～0.4:1mmol/ml。优选地，步骤(1)中所述的二氨基苯化合物包括对苯二胺、联苯胺、二氨基二苯醚、二氨基二苯硫醚中的一种或几种。优选地，步骤(1)中所述的第二溶剂包括二氧六环、二氯甲烷、四氢呋喃、甲醇、氯仿、丙酮、乙醇、二氯乙烷中的一种或几种。优选地，步骤(1)中所述的二氨基苯化合物与第二溶剂的摩尔体积比为0.2～0.4:1mmol/ml。优选地，步骤(1)中所述的二醛基类化合物与所述的二氨基苯化合物的摩尔比为1:1～1.5mol/mol。优选地，步骤(1)中所述的引发剂包括乙酸、甲酸、乙酸酐、丙酸中的一种或几种。优选地，步骤(1)中所述的反应30～60min包括超声反应30～60min、静置反应30～60min、90～110℃下反应30～60min中的一种或几种。优选地，步骤(1)中所述的引发剂与二醛基类化合物的体积摩尔比为0.3～1.2:1ml/mmol。可以理解的是，本专利技术对步骤(1)中所述过滤、洗涤、干燥的方法没有特殊限制，可以采用本领域技术人员熟知的过滤、洗涤、干燥的方法即可。可选地，步骤(1)中所述的过滤、洗涤、干燥的步骤，具体包括：将产物减压过滤后，洗涤至滤液接近无色，于40～60℃真空烘箱中干燥12～24h。优选地，步骤(2)中所述惰性气体包括氮气、氦气、氩气中的一种或几种。优选地，如第一方面所述的均一微孔炭微米花为采用如第二方面所述的均一微孔炭微米花的制备方法制得。本专利技术的原理：本专利技术利用溶液诱导自组装法制备均一微孔炭微米花前驱体，炭化后得到均一微孔炭微米花。原料以2,5-二醛基噻吩和对苯二胺为例，首先，在引发剂的作用下2,5-二醛基噻吩和对苯二胺聚合形成聚合物纳米线，在溶剂力的作用下聚合物纳米线会自组装形成微米花(即为微孔炭微米花的高分子复合微米花前驱体)，随后在惰性气氛中直接高温炭化，成功地制备了均一微孔炭微米花。研究结果表明：由于2,5-二醛基噻吩和对苯二胺所形成的聚合物具有刚性的共轭骨架结构以及强烈的链间π-π堆砌作用使得高分子复合微米花前驱体具有良好的成炭性和结构稳定性，在保持微米花状形貌的前提下，通过高温炭化条件得到均一微孔炭微米花。更为重要的是，杂原子的掺杂可以通过改变二氨基苯化合物的种类进行调控。第三方面，本专利技术提供了一种如第一方面所述的均一微孔炭微米花在质子交换膜燃料电池中的应用。优选地，所述质子交换膜燃料电池的电极材料为氧还原电极材料。第四方面，本专利技术提供了一种如第二方面所述的均一微孔炭微米花的制备方法在制备质子交换膜燃料电池中的应用。本专利技术的有益效果如下：(1)本专利技术制备的微孔炭微米花具有高的比表面积和均一的微孔，比表面积最高为590m2/g，总孔容最大为0.43cm3/g，微孔大小约为0.5nm；(2)本专利技术使用的是免模板法合成微孔炭微米花，避免了硬模板法涉及的繁琐的模板刻蚀和洗涤步骤，不需要用到大量溶剂，对环境污染少，而只需简单的升温炭化即可得到微孔炭微米花；(3)本专利技术提供了一种制备的炭微米花的普适性方法，不同的杂原子掺杂可通过改变二氨基苯化合物单体的种类来精确调控，不同杂原子掺杂使得该炭微米花在应用方面具有独特的优势；(4)本专利技术制备的微孔炭微米花结合了多孔炭材料与微孔材料的独特优势，如较大的比表面积和孔容，材料电导率、离子传输快，不同的杂原子掺杂调控炭材料的电子结构等，使其在能源、催化、吸附、生物医学等诸多领域具有广泛的应用前景。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例1所提供的均一微孔炭微米花一的扫描电镜照片一；图2为本专利技术实施例2所提供的均一微本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种均一微孔炭微米花，其特征在于，所述均一微孔炭微米花由二醛基类化合物与二氨基苯化合物通过溶液自组装法制得的微孔炭微米花前驱体高温炭化制得。

【技术特征摘要】
1.一种均一微孔炭微米花，其特征在于，所述均一微孔炭微米花由二醛基类化合物与二氨基苯化合物通过溶液自组装法制得的微孔炭微米花前驱体高温炭化制得。2.如权利要求1所述的均一微孔炭微米花，其特征在于，所述的二醛基类化合物包括二醛基噻吩、二醛基吡啶、二醛基呋喃、二醛基苯中的一种或几种；所述的二氨基苯化合物包括对苯二胺、联苯胺、二氨基二苯醚、二氨基二苯硫醚中的一种或几种。3.一种均一微孔炭微米花的普适性制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将二醛基类化合物和第一溶剂混合得到溶液一，将二氨基苯化合物和第二溶剂混合得到溶液二，将溶液一与溶液二混合，再加入引发剂，反应30～60min，经过滤、洗涤、干燥得到微孔炭微米花前驱体；(2)将步骤(1)中制得的微孔炭微米花前驱体在气体流速为300～500ml/min的惰性气体氛围下，以4～6℃/min的升温速率升温至800～1000℃，炭化1～3h，得到均一微孔炭微米花。4.如权利要求3所述的均一微孔炭微米花的普适性制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的二醛基类化合物包括二醛基噻吩、二醛基吡啶、二醛基呋喃、二醛基苯中的一种或几种；步骤(1)中所述的二氨基苯化合物包括对苯二胺、联苯胺...

【专利技术属性】
技术研发人员：符若文，陈梓润，吴丁财，陈鹭义，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44