一种多孔碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种多孔碳材料及其制备方法和应用，涉及碳基电催化剂技术领域。本发明专利技术提供了一种基于中空ZSM

【技术实现步骤摘要】
一种多孔碳材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及碳基电催化剂
，具体涉及一种多孔碳材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近几十年来，多孔碳材料在化学、物理、材料科学等领域引起了广泛的关注。碳材料具有优异的性能，如高化学稳定性、良好的导电性和低成本等优点。同时，其丰富的孔结构和较大的比表面积、可调节的通道和孔尺寸特点将多孔碳材料与传统碳材料区分开。
[0003]通过模板碳化方法可以获得具有有序孔通道的多孔碳材料，制备步骤包括：将合适的碳前体引入硬模板的孔中，然后进行碳化，最后去除模板。该方法可以使用包括微孔沸石和中孔二氧化硅在内的多种无机模板来制备多孔碳材料。沸石由于其多功能性和有吸引力的三维孔道而被用作模板，沸石的壁厚通常小于1nm，因此沸石的周期性孔结构和明确的内部纳米空间，提供了在纳米水平上控制微孔碳材料的纳米结构和形态的机会。取决于合成条件，衍生自沸石模板的碳材料通常可以表现出高的比表面积和孔体积以及显著的微孔性，这可能有利于更高的氢吸附。到目前为止，各种沸石，例如Y沸石、X沸石、ZSM
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5沸石、LTA沸石和EMC
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2沸石，已被证明是制备高表面积多孔碳的模板。但是在制备过程中需要将沸石模板在高温(800～900℃)下进行碳沉积形成多孔碳，碳沉积时多数沸石骨架在高温下易坍塌；而且合成多孔碳后需要用酸碱刻蚀掉沸石模板，易导致多孔碳骨架破碎。因此，只有少数沸石能够成功地将其结构转移到相应的多孔碳成品上。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种多孔碳材料及其制备方法和应用，本专利技术制备的多孔碳材料能够保持ZSM
‑
5分子筛的骨架形貌，具有较大的比表面积和孔体积，在催化领域有出色的表现。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种基于中空ZSM
‑
5分子筛的多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]将ZSM
‑
5分子筛和碱溶液混合，进行刻蚀，得到中空ZSM
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5分子筛；
[0008]依次采用氯化铵溶液和硝酸钙溶液对所述中空ZSM
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5分子筛进行离子交换，干燥后焙烧，得到中空改性ZSM
‑
5分子筛；
[0009]以甲烷为碳源，采用化学气相沉积对所述中空改性ZSM
‑
5分子筛进行碳沉积，得到复合碳材料；
[0010]除去所述复合碳材料中的ZSM
‑
5分子筛，得到多孔碳材料。
[0011]优选地，所述ZSM
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5分子筛的制备方法包括：将四丙基氢氧化铵溶液、水、偏铝酸钠和正硅酸乙酯混合，进行水热反应，得到反应溶液；将所述反应溶液进行固液分离，所得固体物质依次进行洗涤、干燥和煅烧，得到ZSM
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5分子筛。
[0012]优选地，所述刻蚀的温度为60～65℃；所述刻蚀的时间为30～35min。
[0013]优选地，所述氯化铵溶液的浓度为1～1.2mol/L；所述硝酸钙溶液的浓度为1～1.2mol/L。
[0014]优选地，采用氯化铵溶液进行离子交换的温度和采用硝酸钙溶液进行离子交换的温度独立为60～80℃；采用氯化铵溶液进行离子交换的时间和采用硝酸钙溶液进行离子交换的时间独立为12～24h。
[0015]优选地，所述焙烧的温度为500～600℃；所述焙烧的时间为4～6h。
[0016]优选地，所述甲烷的流速为40～60sccm。
[0017]优选地，所述碳沉积的温度为800～900℃；所述碳沉积的时间为1～2h。
[0018]本专利技术提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的多孔碳材料，具有ZSM
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5分子筛的骨架形貌。
[0019]本专利技术提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的多孔碳材料或上述技术方案所述多孔碳材料作为催化剂的应用。
[0020]本专利技术提供了一种基于中空ZSM
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5分子筛的多孔碳材料的制备方法，本专利技术经过简单的碱刻蚀、离子交换改性、化学气相沉积和脱模版后，实现了基于中空ZSM
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5分子筛的多孔碳材料的制备。本专利技术在进行碳沉积之前对中空ZSM
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5分子筛进行铵离子交换，由于阳离子与C的强相互作用，使得碳在沉积时较均匀分布，避免局部高温烧结导致骨架坍塌。本专利技术的制备方法简单，原料成本较低，适用于工业化规模生产，且对环境无污染，制备得到的多孔碳材料保持了ZSM
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5分子筛的骨架形貌，比表面积高，具有分级多孔结构，且具有耐酸碱、耐腐蚀、耐高温、耐低温和生物相容性等优异特性。
附图说明
[0021]图1为不同反应物用量和水热条件合成的ZSM
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5分子筛的SEM图；
[0022]图2为实施例1制备的中空ZSM
‑
5分子筛的TEM图；
[0023]图3为实施例1制备的中空ZSM
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5分子筛的BET(包括氮气吸附、脱附和孔径分布)图和XRD图；
[0024]图4为不同气相沉积条件下的多孔碳材料的TEM图。
具体实施方式
[0025]本专利技术提供了一种基于中空ZSM
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5分子筛的多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0026]将ZSM
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5分子筛和碱溶液混合，进行刻蚀，得到中空ZSM
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5分子筛；
[0027]依次采用氯化铵溶液和硝酸钙溶液对所述中空ZSM
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5分子筛进行离子交换，干燥后焙烧，得到中空改性ZSM
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5分子筛；
[0028]以甲烷为碳源，采用化学气相沉积对所述中空改性ZSM
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5分子筛进行碳沉积，得到复合碳材料；
[0029]除去所述复合碳材料中的ZSM
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5分子筛，得到多孔碳材料。
[0030]本专利技术将ZSM
‑
5分子筛和碱溶液混合，进行刻蚀，得到中空ZSM
‑
5分子筛。在本专利技术的具体实施例中，所述ZSM
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5分子筛呈苯环型，尺寸为0.5μm
×
0.4μm
×
0.2μm。在本专利技术中，
所述ZSM
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5分子筛呈中空碳壳结构，碳壳中均匀分布着微孔、介孔和大孔。所述ZSM
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5分子筛具有独特的空心多级孔道结构，为碳材料在各类催化反应中提供了丰富的催化活性位点，增强了介质传输和电子转移能力，有利于催化反应的进行。
[0031]在本专利技术中，所述ZSM
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5分子筛的制备方法优选包括：将四丙基氢氧化铵溶液、水、偏铝酸钠和正硅酸乙酯混合，进行水热反应，得到反应溶液；将所述反应溶液进行固液分离，所得固体物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于中空ZSM
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5分子筛的多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：将ZSM
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5分子筛和碱溶液混合，进行刻蚀，得到中空ZSM
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5分子筛；依次采用氯化铵溶液和硝酸钙溶液对所述中空ZSM
‑
5分子筛进行离子交换，干燥后焙烧，得到中空改性ZSM
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5分子筛；以甲烷为碳源，采用化学气相沉积对所述中空改性ZSM
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5分子筛进行碳沉积，得到复合碳材料；除去所述复合碳材料中的ZSM
‑
5分子筛，得到多孔碳材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述ZSM
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5分子筛的制备方法包括：将四丙基氢氧化铵溶液、水、偏铝酸钠和正硅酸乙酯混合，进行水热反应，得到反应溶液；将所述反应溶液进行固液分离，所得固体物质依次进行洗涤、干燥和煅烧，得到ZSM
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5分子筛。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述刻...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彬，屈会奇，代春龙，张华东，张安元，王磊，
申请(专利权)人：山东龙安泰环保科技有限公司，
类型：发明
国别省市：