一种分级多孔碳纳米材料的合成方法技术

本发明专利技术提供了一种分级多孔碳纳米材料的合成方法，包括以下步骤：A)将含有多螯合基团或邻羟基基团的有机小分子和无机锌盐在碱性水溶液中混合进行反应，得到以沉淀形式析出的前驱体；B)将所述前驱体进行高温热解，得到分级多孔碳纳米材料。本发明专利技术通过锌与含多螯合基团或邻羟基基团的有机小分子与锌在碱性水溶液中室温搅拌形成配位聚合物或配合物作为前驱体，随后在高温热解过程中前驱体中被螯合的锌发生团聚并形成纳米级分散的锌颗粒实现模板造孔作用，同时锌纳米颗粒可通过进一步的高温处理实现蒸发，进而不必进行后续刻蚀即可得到分级多孔碳纳米材料。本发明专利技术提供的合成方法简单、低成本、可控性强、普适性高及条件温和。

A synthesis method of graded porous carbon nanomaterials

【技术实现步骤摘要】
一种分级多孔碳纳米材料的合成方法
本专利技术属于纳米材料
，具体涉及一种分级多孔碳纳米材料的合成方法。
技术介绍
传统多孔碳材料是生物质材料(如沥青、椰壳、木质纤维素、玉米杆等)为前驱体，结合物理或化学活化手段，经高温热解得到。通过这一简单、低成本的合成方法，工业上已发展出一系列生物质衍生多孔碳材料，并广泛应用于气体或液体的分离、水处理、空气净化等领域。但生物质材料受产地，生长环境以及自身特性影响，其结构及组成复杂且杂质含量较高，因而导致其衍生碳材料的微观结构及性质具有较差的可控性。此外，经物理或化学活化获得的孔尺寸通常集中在微孔范围内。而随着对多孔碳材料应用研究的不断深入，在碳材料中构建等级孔道结构被广泛认为是制备面向能源储存与转化、多相催化、气体吸附等多个新兴纳米技术应用领域高性能碳材料的重要手段之一。相比传统具有单一孔尺寸的碳材料而言，分级多孔碳材料的物质传输效率更高，且能提供与客体物质(分子、原子、离子)更大的接触面积，进而可用于制备高性能的锂电池负极材料、氧还原催化剂、氢气吸附材料等。因此，从分子层面出发构建具有确定结构与组成的富碳材料作为前驱体，并发展其他纳米造孔技术，是实现分级多孔碳材料可控合成的重要手段之一，也是进一步探索高性能碳基材料的基础。目前所建立的分级多孔碳材料可控合成方法可以分为三类。第一类是以化学合成的高分子作为前驱体，通过模板法或模板-活化相结合的方法，实现分级多孔碳的制备。该方法可以通过改变模板剂的结构和用量以及更换高分子种类来对碳产物的纳米结构和元素组成进行调控。第二类方法是用离子液体作为前驱体，采用模板法或熔盐法进行造孔，进而获取分级多孔碳材料。第三类构建分级多孔碳材料可控化合成的思路是热解金属有机框架材料(MOFs)，碳化过程中连接配体小分子的金属节点会原位生成纳米模板，进而实现造孔作用，同时MOFs衍生碳材料的组分可简单地通过替换结构中的金属离子或桥接配体实现，进而实现在碳框架中掺杂不同的杂元素及负载不同类型金属。尽管上述所建立的方法为分级多孔碳材料的可控合成提供了多样的途径，然而这一领域仍然面临两方面的挑战。第一项挑战是如何能广泛地使用价格低廉的小分子去制备分级多孔碳材料，进而建立较为庞大的材料体系以支撑纳米结构及组成与性能构效关系的解析，并最终为设计高性能碳基材料指明方向。分级多孔碳材料的可控合成这一研究领域面临的第二项挑战是发展绿色可持续合成技术，实现该材料体系的宏量、廉价制备。目前分级多孔碳材料的合成方法通常需要使用大量有机溶剂、原料成本、制备过程复杂，不利于分级多孔碳材料的广泛应用及探索。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种分级多孔碳纳米材料的合成方法，本专利技术提供的合成方法简单、低成本、可控性强、普适性高及条件温和。本专利技术提供了一种分级多孔碳纳米材料的合成方法，包括以下步骤：A)将含有多螯合基团或邻羟基基团的有机小分子和无机锌盐在碱性水溶液中混合进行反应，得到以沉淀形式析出的前驱体；B)将所述前驱体进行高温热解，得到分级多孔碳纳米材料。优选的，步骤A)中，在碱性水溶液中混合原料还包括含螯合基团的脂肪链分子。优选的，所述含螯合基团的脂肪链分子选自丁二酸、己二酸、辛二酸、癸二酸或全氟癸二酸，添加量为多螯合基团或邻羟基基团的有机小分子摩尔量的四分之一到二分之一。优选的，所述碱性水溶液由三乙胺、氨水、氢氧化钾或氢氧化钠配制得到。优选的，所述碱性水溶液的pH值为7～14。优选的，所述含多螯合基团的有机小分子选自咪唑-2-甲酸、1H-苯并咪唑-5-羧酸、5-羧基苯并三唑、4,4’-(2,2,2-三氟-1-三氟甲基)亚乙基双(1,2-苯二甲酸)、对苯二甲酸、4,4-联苯二甲酸、D-组氨酸、1,5-萘二磺酸、4,4’-联苯二磺酸、8-羟基喹啉-5-磺酸水合物、2,2’-联吡啶-4,4’-二羧酸、4-羧基苯硼酸、茶多酚、咖啡酸、四羟基苯醌、5,5',6,6'-四羟基-3,3,3',3'-四甲基-1,1'-螺旋联吲哚、苯并咪唑、苯并三唑、2-苯基苯并咪唑-5-磺酸、5-磺基水杨酸二水化合物；优选的，含邻羟基基团的分子选自邻苯二酚、3,4-二羟基甲苯、盐酸多巴胺、2,3-二羟基萘、邻苯三酚、儿茶精、黄芩素、没食子酸丙酯、香叶木素、3,4-二羟基苯腈、2,3-二羟基吡啶中的一种。优选的，所述无机锌盐选自二水乙酸锌、六水合硝酸锌、无水氯化锌或碱式碳酸锌。优选的，所述含有多螯合基团或邻羟基基团的有机小分子和无机锌盐的摩尔比为2:1～1:6；所述含有多螯合基团或邻羟基基团的有机小分子与碱性水溶液中的碱性物质的摩尔比为2:1～1:8。优选的，所述高温热解为：在氮气或氩氢的保护气氛下，将所述热解前驱体以2～10℃/min升至800～1000℃，保持2～5h；再以2～10℃/min降至400～600℃，自然冷却，得到分级多孔碳纳米材料。与现有技术相比，本专利技术提供了一种分级多孔碳纳米材料的合成方法，包括以下步骤：A)将含有多螯合基团或邻羟基基团的有机小分子和无机锌盐在碱性水溶液中混合进行反应，得到以沉淀形式析出的前驱体；B)将所述前驱体进行高温热解，得到分级多孔碳纳米材料。本专利技术通过锌与含多螯合基团或邻羟基基团的有机小分子与锌在碱性水溶液中室温搅拌形成配位聚合物或配合物作为前驱体，随后在高温热解过程中前驱体中被螯合的锌发生团聚并形成纳米级分散的锌颗粒实现模板造孔作用，同时锌纳米颗粒可通过进一步的高温处理实现蒸发，进而不必进行后续刻蚀即可得到分级多孔碳纳米材料。本专利技术提供的合成方法简单、低成本、可控性强、普适性高及条件温和。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的分级多孔碳纳米材料的扫描电镜照片；图2为本专利技术实施例1制备的分级多孔碳纳米材料的孔径分布数据；图3为本专利技术实施例2制备的分级多孔碳纳米材料的扫描电镜照片；图4为本专利技术实施例2制备的分级多孔碳纳米材料的孔径分布数据；图5为本专利技术实施例3制备的分级多孔碳纳米材料的扫描电镜照片；图6为本专利技术实施例3制备的分级多孔碳纳米材料的孔径分布数据；图7为本专利技术实施例4制备的分级多孔碳纳米材料的扫描电镜照片；图8为本专利技术实施例4制备的分级多孔碳纳米材料的孔径分布数据；图9为本专利技术实施例5制备的分级多孔碳纳米材料的扫描电镜照片；图10为本专利技术实施例5制备的分级多孔碳纳米材料的孔径分布数据；图11为本专利技术实施例6制备的分级多孔碳纳米材料的扫描电镜照片；图12为本专利技术实施例6制备的分级多孔碳纳米材料的孔径分布数据。具体实施方式本专利技术提供了一种分级多孔碳纳米材料的合成方法，包括以下步骤：A)将含有多螯合基团或邻羟基基团的有机小分子和无机锌盐在碱性水溶液中混合进行反应，得到以沉淀形式析出的前驱体；B)将所述前驱体进行高温热解，得到分级多孔碳纳米材料。本专利技术首先将含有多螯合基团或邻羟基基团的有机小分子和无机锌盐在碱性水溶液中混合进行反应，得到以沉淀形式析出的前驱体。具体的，将含多螯合基团或邻位二酚的有机小分子溶于碱性水溶液中，得到混合溶液；所述含多螯合基团的有机小分子选自咪唑-2-甲酸、1H-苯并咪唑-5-羧酸、5-羧基苯并三唑、4,4’-(2,2,2-三氟-1-三氟甲基)亚乙基双(1,2-苯二甲酸)、对苯二甲酸、4,4-联苯二甲酸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分级多孔碳纳米材料的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：A)将含有多螯合基团或邻羟基基团的有机小分子和无机锌盐在碱性水溶液中混合进行反应，得到以沉淀形式析出的前驱体；B)将所述前驱体进行高温热解，得到分级多孔碳纳米材料。

【技术特征摘要】
1.一种分级多孔碳纳米材料的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：A)将含有多螯合基团或邻羟基基团的有机小分子和无机锌盐在碱性水溶液中混合进行反应，得到以沉淀形式析出的前驱体；B)将所述前驱体进行高温热解，得到分级多孔碳纳米材料。2.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，步骤A)中，在碱性水溶液中混合原料还包括含螯合基团的脂肪链分子。3.根据权利要求2所述的合成方法，其特征在于，所述含螯合基团的脂肪链分子选自丁二酸、己二酸、辛二酸、癸二酸或全氟癸二酸，添加量为多螯合基团或邻羟基基团的有机小分子摩尔量的四分之一到二分之一。4.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述碱性水溶液由三乙胺、氨水、氢氧化钾或氢氧化钠配制得到。5.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述碱性水溶液的pH值为7～14。6.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述含多螯合基团的有机小分子选自咪唑-2-甲酸、1H-苯并咪唑-5-羧酸、5-羧基苯并三唑、4,4’-(2,2,2-三氟-1-三氟甲基)亚乙基双(1,2-苯二甲酸)、对苯二甲酸、4,4-联苯二甲酸、D-组氨酸、1,5-萘二磺酸、4,4’-联苯二磺酸、8-羟基喹啉-5-磺酸水...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁海伟，童磊，张乐乐，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34