一种多孔碳材的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种多孔碳材的制备方法，充分利用电化学沉积制备MOF的优势，于低温低压低耗时条件下制备MOF层，并以此为多孔碳模板，通过焙烧

【技术实现步骤摘要】
一种多孔碳材的制备方法


[0001]本专利技术属于新型碳材复合材料制备领域，尤其涉及一种高比表面积多孔碳材的制备方法，用于水体净化。

技术介绍

[0002]MOFs 由于其高比表面积、高孔隙率、高有机组分含量以及结构可控的特性，可用于构建结构具有高度可调属性的纳米多孔碳材料，由此 MOFs 材料已成为制备NPCs 的良好前驱体/模板，通过如法制备出的多孔碳材料几乎完美继承了前驱体的框架结构。
[0003]一般来说，通过MOF制备多孔碳材主要有湿化学法和高温煅烧法，湿化学法指的是通过利用 MOFs 材料在溶剂中不能稳定存在的性质，其一溶剂分子可能会替代 MOFs 材料中的有机配体实现与中心金属/金属簇的配位，其二是溶剂分子对MOFs 材料的框架结构进行抨击，这两种结果均会致使 MOFs 材料原有的骨架结构发生坍塌，形成新的骨架结构，从而制备得到 MOFs 衍生物；高温煅烧法是在带有保护气的管式加热炉中，通过改变保护气氛的条件和调整升温速率的方法来实现对纳米复合材料的制备。一般在氮气或氩气等作保护气的条件下得到的是金属或多孔碳纳米材料，当用氧气或空气做保护气时得到的是金属氧化物。因此，选择的煅烧温度、煅烧时间、升温速率以及气氛条件等都会影响最终的产物，此外还可通过选择不同的煅烧温度、气氛条件得到多级纳米结构材料，如CN104229768A一种具有三维结构的多孔碳制备方法，六水合硝酸锌与对苯二甲酸二者基本配比为3mol：1mol。然后，震荡混合二者，120
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150℃加热4
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6h，抽滤取滤纸白色粉末（MOF
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5），放入干燥器中封口干燥12h。最后，将MOF
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5放入管式气氛炉中，于900
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1000℃氮气条件下煅烧1h，待自然降温后，将黑色的三维多孔碳材料取出,该多孔碳材料的比表面积超过1000m2g
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1。这种方法制作多孔碳，无需加入前驱体，操作简单方便。并且合成出来的多孔碳材料具有完美的三维孔状结构及良好的导电性和热稳定性。
[0004]基于 MOFs 材料本身高的比表面积、可以提供不饱和的金属活性位点，合成方法简单易行，结构多样等特性，MOFs 材料可以直接当做电催化材料进行使用。但有研究工作者发现将石墨烯、碳纳米管等一些导电性能好的材料与 MOFs 材料进行复合，并将MOFs 材料中的有机配体和中心金属离子转化为无机的功能化材料，通过复合材料之间的协同作用，在保留 MOFs 材料原有骨架形貌的同时还可以利用导电性能好的材料优良导电性能，有效的弥补了单相材料在实际应用中的不足。如CN105845458A公开了一种石墨烯活化金属有机骨架电极材料及其制备和应用。制备方法包括：将含有金属离子的可溶性盐和有机配体加入到溶剂中，反应温度控制100℃
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150℃下保持24h
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30h，得到MOF结构材料；将MOF结构材料于溶剂中超声分散，然后加入石墨烯，反应10
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60min，制得石墨烯活化的MOF电极材料。本专利技术所述的金属有机骨架材料具有多孔、比表面积大、结构可调、结构多样性等优点，材料制备过程简单；将其用于超级电容器电极材料时，具有优异的循环稳定性和较高的放电比容量，比电容高达280F/g，稳定性良好。
[0005]基于上述内容的认知，现有技术中以MOF作为模板制备多孔碳，通常是先制备MOF
而后制备多孔碳，而制备MOF的方法通常包括有扩散法、溶剂热（水热）法和电化学法，其中的电化学法是利用电解手段对含有有机配体的电解液进行电极反应，使晶体不断生长的方法。电化学技术可以在工业上规模化生产 MOFs 粉末。与溶剂热合成法相比，这种方法的优势在于反应温度低、合成速率快。如CN114369854A公开了一种普适、高效的金属有机框架（MOF）膜的制备方法，所述制备方法包括：电沉积高活性金属层作为基底修饰层，为MOF膜的成核和生长提供活性位点，增强MOF与基底之间的相互作用；采用阴极电沉积，在修饰基底表面制备均匀连续的MOF膜。本专利技术所述制备方法不受导电基底限制，不仅能够有效解决MOF与基底表面不兼容，异质成核困难的问题，而且能够明显改善MOF本身导电性差，结构不稳定的缺点。本专利技术制备方法简单高效，普适性强，可实现工业化推广。所述方法制备得到的MOF膜，不仅在超级电容器方面显示出良好的倍率放电性能和循环稳定性，在电池、催化、传感器等领域也具有良好的应用前景。
[0006]但本领域技术人员知晓的，MOFs 材料较差的导电性能限制其在电化学中的使用，如以导电材料为基底，通过电化学法在上沉积MOF，随着MOF的不断生长，厚度不断增加，导电率直线下降，这就导致了MOF沉积速率下降，无法获得高厚度的MOF层，通常为微米级，这就导致了通过电化学制备MOF衍生多孔碳无法获得高厚度的多孔衍生碳，即无法在导电基材上获得毫米级的多孔碳。
[0007]此外，水资源是人类一切活动的基础，而当前随着人类文明的快速进步，水污染问题也已在全球范围内日趋恶化。目前，造成水污染的主要原因是工农业废水以及生产生活污水在未处理达标的情况下就被大量排入水体，工业上处理酚类废水的方法主要有物理法，生化法和化学法三种，化学法主要依靠混凝剂或氧化剂与酚类污染物发生反应来达到净化的目的，常用的包括混凝沉淀法和各种高级氧化法，高级氧化法（Advanced oxidation processes，AOPs）在工业水处理领域已经受到越来越多的研究和关注，通过各种活化手段与氧化剂协同作用产生的自由基，可将大部分有机污染物完全降解为 CO2和 H2O。该方法反应速率快，对众多酚类污染物广谱适用，且能将其完全矿化，故无需后续处理，并且操作简单，正逐步成为业内研究的热点。根据催化条件的不同，高级氧化法可以分为 Fenton 氧化法、臭氧氧化法、电化学氧化、光催化氧化、以及近来新兴的基于过硫酸盐的高级氧化技术。

技术实现思路

[0008]基于上述现有技术中存在的缺陷，本专利技术提供了一种多孔碳材复合材料及其多孔碳材的制备方法，并以该复合材料为基础构件多孔碳
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双金属材料用于水体净化，其中双金属及 MOFs 衍生多孔碳，具有不饱和的金属活性位点、结构多样可控且易于修饰、高的比表面积以及合成方法简单易行等基本特性，在水体净化过程中，利用多孔碳极高的比表面积和高的孔隙率实现对MOF固载，且多孔碳有效改善 MOFs 材料的导电性能，此外，多次电沉积
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焙烧
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扩孔处理获得毫米级厚度、高比表面积多孔碳材，为电极催化氧化降解废水提供应用基础。具体而言。
[0009]一种多孔碳材的制备方法，包括如下步骤：（1）以导电石墨棒为基材，在其表面沉积第一层Ni
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MOF层；（2）第一次程序升温焙烧处理；
（3）第一次扩孔处理，获得基材GR
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1PC Graphite Rod
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1 Porous Carbon；（本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔碳材的制备方法，其特征在于包括如下步骤：（1）以导电石墨棒为基材，在其表面沉积第一层Ni
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MOF层；（2）第一次程序升温焙烧处理；（3）第一次扩孔处理，获得基材GR
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1PC Graphite Rod
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1 Porous Carbon；（4）在GR
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1PC表面沉积第二层Ni
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MOF层；（5）第二次程序升温焙烧处理；（6）第二次扩孔处理，获得基材GR
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2PC；（7）重复上述沉积、焙烧、扩孔步骤，获得多孔碳材GR
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xPC，x=3~4；其中所述表面沉积第一次Ni
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MOF层和表面沉积第二层Ni
‑
MOF层工艺参数一致，分别以导电石墨棒、GR
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1PC为阴极，惰性导电金属材料为阳极，浸没于电解液中，采用恒压电沉积，电压为
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7V～
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3V，时间为15
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20min，室温，所述电解液由0.3～0.5mM氯化镍、0.1
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0.2M硝酸钾、0.5
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1mM均苯三甲酸、2
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5ml乙醇、0.3
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0.5mM三乙基甲基氯化铵、0.5
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1gP123表面活性剂和去离子组成，充分搅拌5
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10min后作为电解液；所述第一次程序升温焙烧处理和第二次程序升温焙烧处理的工艺一致，程序升温步骤为：以5
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文英，
申请(专利权)人：王文英，
类型：发明
国别省市：