CN104140090A - 一种亲水型有序介孔炭材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种亲水型有序介孔炭材料TSC-1的制备方法。本发明采用SBA-15介孔分子筛为母模板，将其内部P123共聚物模板剂在高温下炭化生成有序介孔炭材料TSC-1。TSC-1相对于传统介孔炭材料具有亲水性好、孔径易调变等优势。该材料在催化、能源、环境保护等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种亲水型有序介孔炭材料的制备方法
技术领域
本发明属于化学化工技术和环境保护领域，具体涉及一种亲水型有序介孔炭材料TSC-1的制备方法。 
背景技术
近年来，由于化学合成技术的进步，大量研究者发展了多种结构的有序介孔炭材料，如CMK系列和FDU系列等。介孔炭材料具有良好的化学稳定性及热稳定性，在催化剂载体材料、储能材料和吸附材料等诸多领域展现出良好的应用前景。例如CMK-3可载质量分数高达50％的铂，且仍可保持其2.5 nm的较小粒径，高的铂载量使得此材料具有很高的氧气还原反应活性。另外，金属活性物种在CMK-3中比在一般的多孔炭孔道中具有更高的分散性，使其有望成为优异的燃料电池电极材料。 
但是，生产成本过高、工艺条件复杂是目前有序介孔炭大规模生产依然面临的两大问题。除此以外，传统有序介孔炭材料亲水性不佳也极大地影响了其作为吸附材料及催化剂载体时的性能。因此，迫切需要发展一种在技术难度、成本及性能上都有优势的新方法用于有序介孔炭材料的生产制备。 
发明内容
针对传统有序介孔炭材料存在的生产成本高、工艺复杂、亲水性不佳等问题，本发明提供了一种技术难度低、成本可控的方法来制备有序介孔炭材料，且其亲水性提高显著，当其作为催化剂载体使用时，可以浸渍活性物种接触充分，使其分散更为均匀，更利于催化剂性能的提高。 
 本发明采用的技术路线为首先根据实际需要合成具有目标孔径的SBA-15介孔硅材料，以SBA-15为模板，在适当温度条件下将其孔道内部P123高分子共聚物炭化，最后经碱液溶解SBA-15模板、离心分离得到TSC-1有序介孔炭材料。 
本发明是一种可调变孔径有序介孔炭材料的制备方法，其特征在于具有以下的制备过程和步骤。 
a.       目标孔径SBA-15介孔硅分子筛的合成：以聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇三嵌段聚合物（P123，分子式为H(-OCH2-CH2-)x[-OCH(CH3)CH2-]y(OCH2CH2-)zOH，EO : PO : EO的摩尔比值为20 : 70 : 20，平均分子量为5800）为模板剂，以正硅酸乙酯或硅酸钠为硅源，在强酸性条件下合成SBA-15分子筛，反应物的摩尔组成为：P123 : SiO2 : HCl : H2O = 1～2 : 40～60 : 300～500 : 7000～10000。 
b.          使用SBA-15作为母模板，将其内部P123共聚物模板剂在惰性气氛下加热至600～900 ℃炭化，升温速率2.5～5 ℃/min，并保持3-4小时，惰性气氛为N2或Ar中任一种。 
c.         将上述SBA-15/TSC-1复合物加入2～4 mol/L的NaOH溶液中，加热并搅拌4～6小时后，最后经4000～5000 rpm离心分离15 min得到TSC-1有序介孔炭材料。 
本发明简单易行，实现了亲水型有序介孔炭材料TSC-1的合成，且其孔径可控，在污染物吸附、催化及新材料等领域明具有良好的应用前景。 
 具体实施方式。
实施例1 
 4 nm孔径TSC-1有序介孔炭材料按如下步骤制备：
 将60 mL浓盐酸溶于312 mL去离子水中，313 K水浴恒温。然后加入15 g P123，使用电磁搅拌器恒温搅拌4 h，后加TEOS 22.5 g，再恒温搅拌24 h。然后将混合物转移到水热釜内，343 K静态晶化12 h后过滤得白色固体，393 K烘干。
 将含有P123模板剂的SBA-15介孔材料在Ar气氛下加热至750 ℃炭化，升温速率2.5 ℃/min，并保持4小时。随后将上述SBA-15/TSC-1复合物加入4 mol/L的NaOH溶液中，加热并搅拌4.5小时后，最后经4000-5000 rpm离心分离15 min得到TSC-1有序介孔炭材料。经小角XRD及氮气物理吸附表征确认其孔道尺寸为4 nm。 
 实施例2 
6 nm孔径TSC-1有序介孔炭材料按如下步骤制备：
 将60 mL浓盐酸溶于312 mL去离子水中，313 K水浴恒温。然后加入15 g P123，使用电磁搅拌器恒温搅拌4 h，后加TEOS 22.5 g，再恒温搅拌24 h。然后将混合物转移到水热釜内，368 K静态晶化12 h后过滤得白色固体，393 K烘干。
将含有P123模板剂的SBA-15介孔材料在Ar气氛下加热至750 ℃炭化，升温速率2.5 ℃/min，并保持4小时。随后将上述SBA-15/TSC-1复合物加入4 mol/L的NaOH溶液中，加热并搅拌4.5小时后，最后经4000-5000 rpm离心分离15 min得到TSC-1有序介孔炭材料。经小角XRD及氮气物理吸附表征确认其孔道尺寸为6 nm。 
 实施例3 
10nm孔径TSC-1有序介孔炭材料按如下步骤制备：
将60 mL浓盐酸溶于312 mL去离子水中，333 K水浴恒温。然后加入15 g P123，使用电磁搅拌器恒温搅拌4 h，后加TEOS 22.5 g，再恒温搅拌24 h。然后将混合物转移到水热釜内，378 K静态晶化12 h后过滤得白色固体，393 K烘干。
将含有P123模板剂的SBA-15介孔材料在Ar气氛下加热至800 ℃炭化，升温速率5 ℃/min，并保持4小时。随后将上述SBA-15/TSC-1复合物加入4 mol/L的NaOH溶液中，加热并搅拌4.5小时后，最后经4000-5000 rpm离心分离15 min得到TSC-1有序介孔炭材料。经小角XRD及氮气物理吸附表征确认其孔道尺寸为10 nm。 
 实施例4 
12nm孔径TSC-1有序介孔炭材料按如下步骤制备：
将60 mL浓盐酸溶于312 mL去离子水中，333 K水浴恒温。然后加入15 g P123，使用电磁搅拌器恒温搅拌4 h，后加TEOS 22.5 g，再恒温搅拌24 h。然后将混合物转移到水热釜内，398 K静态晶化12 h后过滤得白色固体，393 K烘干。
将含有P123模板剂的SBA-15介孔材料在Ar气氛下加热至900 ℃炭化，升温速率5 ℃/min，并保持4小时。随后将上述SBA-15/TSC-1复合物加入4 mol/L的NaOH溶液中，加热并搅拌4.5小时后，最后经4000-5000 rpm离心分离15 min得到TSC-1有序介孔炭材料。经小角XRD及氮气物理吸附表征确认其孔道尺寸为12 nm。 
  

Claims (3)

1.本发明是一种亲水型有序介孔炭材料的制备方法，其特征在于具有以下的制备过程和步骤：
a. 目标孔径SBA-15介孔硅分子筛的合成：以聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇三嵌段聚合物（P123，分子式为H(-OCH2-CH2-)x[-OCH(CH3)CH2-]y(OCH2CH2-)zOH，EO : PO : EO的摩尔比值为20 : 70 : 20，平均分子量为5800）为模板剂，以正硅酸乙酯或硅酸钠为硅源，在强酸性条件下合成SBA-15分子筛；
b. 使用SBA-15作为母模板，将其内部P123共聚物模板剂在惰性气氛下加热至600～900 ℃炭化，惰性气氛为N2或Ar中的一种；
c. 将上述SBA-15/TSC-1复合物加入一定2～4 mol/L的NaOH溶液中，加热并搅拌4-6小时后经离心分离得到TSC-1有序介孔炭材料。
2.根据权利要求１所述的方法，其特征在于TSC-1介孔材料碳元素含量为70-80%，氧元素含量20-30%，氧含量较高，亲水性显著优于传统介孔炭材料。
3.根据权利要求１所述的方法，其特征在于TSC-1具有有序一维孔道结构，孔径于4～15 nm之间可调变，比表面为1200～1500 m2/g。
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