CN104148031A - 一种高比表面积聚多巴胺碳材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高比表面积聚多巴胺碳材料的制备方法，步骤如下：（1）将盐酸多巴胺溶于去离子水中，得盐酸多巴胺水溶液，注入乙醇和氨水的混合液中；置于密闭容器中充分搅拌，得到聚多巴胺球混合液，将所得的聚多巴胺球混合液过滤，冲洗，烘干，得到固体聚多巴胺球；（2）将固体聚多巴胺球和KOH混合，充分混合研磨，在Ar氛围进行高温活化反应，然后进行清洗、过滤、烘干后得到高比表面积的聚多巴胺碳材料。本发明方法所制备聚多巴胺多孔碳材料具有工艺简单、产率高和比表面积及孔容大的特点，调控KOH的量可调节聚多巴胺碳材料的孔隙结构，合成比表面积及孔容各不相同的材料，获得高比表面积和孔容的的聚多巴胺碳材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有发达孔隙结构的吸附材料的制备方法，具体涉及一种高比表面积聚多巴胺碳材料的制备方法。
背景技术
多巴胺是一种高含碳的生物分子，广泛存在生物的贝壳表层中，是人类可持续(可再生)获得的碳源材料。多巴胺会在一定的pH条件下聚合成聚多巴胺球，将聚多巴胺球经过碳化处理后即得聚多巴胺碳材料。聚多巴胺碳材料以其孔隙结构发达，水热稳定性优良，在催化材料、膜材料和电极材料的表面修饰等领域引起关注。Lu et al.(Kelong Ai,Yanlan Liu,Changping Ruan,Lehui Lu*andGaoqing(Max)Lu*.Sp2 C-Dominant N-Doped Carbon Sub-micrometer Spheres witha Tunable Size:A Versatile Platform for Highly Efficient Oxygen-Reduction Catalysts.Adv.Mater.2013,25,998–1003)报道了一种聚多巴胺碳材料的合成方法：(1)先将聚多巴胺球在800摄氏度下进行碳化：(2)将碳化后的聚多巴胺球与KOH以1:4混合，然后在770℃下进行高温反应，最后得到孔隙结构发达的聚多巴胺多孔碳材料，其BET比表面积为2006 m2/g。此制备方法可称为碳化-活化法。
此方法仍存在以下不足：
1.材料收率过低；
2.所制得的材料其比表面积、孔容仍需要进一步提高；
3.合成能耗仍较高，它需要两个高温反应过程。
针对以上问题，本发明提出一种一步法制备聚多巴胺多孔碳材料。不仅可以提高收率，又可缩短工艺降低能耗以及能使材料具有更高的比表面积。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有聚多巴胺碳材料孔隙机构及合成收率等方面的不足，提出一种在降低能耗，提高收率的同时合成出更高比表面积及更大孔容的聚多巴胺碳材料的方法。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种高比表面积聚多巴胺碳材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将盐酸多巴胺溶于去离子水中，得到盐酸多巴胺水溶液，然后注入乙醇和氨水的混合液中；置于密闭容器中充分搅拌，得到聚多巴胺球混合液，将所得的聚多巴胺球混合液过滤，冲洗，烘干，得到固体聚多巴胺球；
(2)将步骤(1)所得的固体聚多巴胺球和KOH混合，充分混合研磨，在Ar氛围进行高温活化反应，然后进行清洗、过滤、烘干后得到高比表面积的聚多巴胺碳材料。
上述方法中，步骤(1)中，所述盐酸多巴胺水溶液按盐酸多巴胺晶体与去离子水的质量比为1：50～200配置，所述盐酸多巴胺溶液与乙醇和氨水按照体积比为盐酸多巴胺溶液：乙醇：氨水＝50～200:40:1，所述搅拌为在室温下搅拌10～30h。
上述方法中，步骤(2)中所述固体聚多巴胺球和KOH混合比例为质量比1:1～1:7，所述高温活化反应的反应温度为500～800℃，反应时间为1～3h，所述清洗为用稀盐酸及去离子水冲洗4次；所述烘干为50℃-80℃真空干燥。
上述方法中，所述高比表面积的聚多巴胺碳材料的BET比表面积为2343-3534m2/g，总孔容为1.37-2.23cm3/g，其中微孔孔容为0.81-1.23cm3/g；所述高比表面积的聚多巴胺碳材料为小球状结构，粒径在300-600nm范围内。
与现有技术相比，本发明的合成方法优点：
1.省去了高温碳化步骤，而采用直接活化法，能耗降低约50％左右；
2.省去了高温碳化步骤，又可大大减少了碳损失，收率提高50％以上；
3.调控KOH的量可以调节聚多巴胺碳材料的孔隙结构，合成出比表面积及孔容各不相同的聚多巴胺碳材料，可获得更高比表面积和孔容的的聚多巴胺碳材料。
附图说明
图1为本发明4种实施例所得到的4种不同的聚多巴胺碳材料的N2吸附等温线。
图2为实施例1所制备得到的聚多巴胺多孔碳材料SEM图。
图3为实施例2所制备得到的聚多巴胺多孔碳材料SEM图。
图4为实施例3所制备得到的聚多巴胺多孔碳材料SEM图。
图5为实施例4所制备得到的聚多巴胺多孔碳材料SEM图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
实施例1
将1g的盐酸多巴胺溶于50ml去离子水中，将该溶液倒入加40ml无水乙醇和0.75ml氨水(质量分数28％)的混合液中。加入后密封充分搅拌10h，便得到聚多巴胺球混合液，将产物用微孔滤膜过滤，所得材料用去离子水冲洗干净，50摄氏度真空干燥10h即得到固体的聚多巴胺球。按聚多巴胺球与KOH质量比为1:1进行混合，然后充分混合并研磨搅拌使之均匀，接着将此固体混合物放进管式炉，在Ar的气氛下以5K/min的升温速率升到500摄氏度，并维持500摄氏度1h，待自然降至室温后，将所得固体溶于1mol/L的HCl中，使未反应的KOH充分中和，再用微孔滤膜过滤并用去离子水多次清洗至pH＝7，50摄氏度真空干燥12h，得到固体聚多巴胺多孔碳材料。
实施例2
将1g的盐酸多巴胺溶于150ml去离子水中，将该溶液倒入加40ml无水乙醇和0.75ml氨水(28％)的混合液中。加入后密封充分搅拌15h，便得到聚多巴胺球混合液，将产物用微孔滤膜过滤，所得材料用去离子水冲洗干净，50摄氏度真空干燥10h即得到固体的聚多巴胺球。按聚多巴胺球与KOH质量比为1:5进行混合，然后充分混合并研磨搅拌使之均匀，接着将此固体混合物放进管式炉，在Ar的气氛下以5K/min的升温速率升到700摄氏度，并维持700摄氏度2.5h，待自然降至室温后，将所得固体溶于1mol/L的HCl中，使未反应的KOH充分中和，再用微孔滤膜过滤并用去离子水多次清洗至PH＝7，60摄氏度真空干燥12h，得到固体聚多巴胺多孔碳材料。
实施例3
将1g的盐酸多巴胺溶于100ml去离子水中，将该溶液倒入加40ml无水乙醇和0.75ml氨水(28％)的混合液中。加入后密封充分搅拌25h，便得到聚多巴胺球混合液，将产物用微孔滤膜过滤，所得材料用去离子水冲洗干净，50摄氏度真空干燥10h即得到固体的聚多巴胺球。按聚多巴胺球与KOH质量比为1:3进行混合，然后充分混合并研磨搅拌使之均匀，接着将此固体混合物放进管式炉，在Ar的气氛下以5K/min的升温速率升到600摄氏度，并维持600摄氏度1.5h，待自然降至室温后，将所得固体溶于1mol/L的HCl中，使未反应的KOH充分中和，再用微孔滤膜过滤并用去离子水多次清洗至PH＝7，70摄氏度真空干燥12h，得到固体聚多巴胺多孔碳材料。
实施例4
将1g的盐酸多巴胺溶于200ml去离子水中，将该溶液倒入加40ml无水乙醇和0.75ml氨水(28％)的混合液中。加入后密封充分搅拌30h，便得到聚多巴胺球混合液，将产物用微孔滤膜过滤，所得材料用去离子水冲洗干净，50摄氏度真空干燥10h即得到固体的聚多巴胺球。按聚多巴胺球与KOH质量比为1:7进行混合，然后充分混合并研磨搅拌使之均匀，接着将此固体混合物放进管式炉，在Ar的气氛下以5K/min的升温速率升到800摄氏度，并维持800摄氏度3h，待自然降至室温后，将所得固体溶于1mol/L的HCl中，使未反应的KOH充分中和，再用微孔滤膜过滤并用去离子水多次清洗至PH＝7，80摄氏度真空干燥12h，得到固体聚多巴胺多孔碳材料。
(一)聚多巴胺碳材料的孔结构性质
采用美国Micro公司生产的ASAP-2020比表面孔径分布仪对本发明所制备的聚多巴胺碳材料的孔隙结构和晶体结构进行表征，结果如图1和表1所示。
表1.四种实施例所得聚多巴胺碳材料的比表面积及孔隙结构。
图1是四种不同实施例在77K条件下的N2吸附等温线，根据等温线可由分析处理软件处理得到不同实施例的比表面积、孔容等信息。从图中可以看到随着活化剂用量的增大及反应温度升高材料的BET比表面积先增大后减小而孔容逐渐增大。本发明所制备聚多巴胺碳材料的BET比表面积约在2343-3534m2/g，总孔容范围为1.37-2.23cm3/g，其中微孔孔容约在0.81-1.23cm3/g左右；这说明本发明的四种实施例孔径结构和比表面积覆盖范围非常大；本发明的聚多巴胺碳材料具有较多的微孔且比表面积和孔容很大(见表1)。
(二)聚多巴胺碳材料的SEM
采用荷兰FEI Quanta200型低倍扫描电子显微镜对本发明四种实施例所制备的聚多巴胺碳材料进行材料表面形貌的表征，操作条件为：在35kV和25mA下应用Cu Kα1射线(λ＝1.54056)测定。
从图2-图5中可以看到四种不同实施例所制备的聚多巴胺碳材料都保持了较好的小球状结构，小球尺寸均匀都在300-600nm之间。
(三)聚多巴胺碳材料的收率
表2.四种不同实施例所得聚多巴胺碳材料和文献报道的收率对比。
表2是四种不同的实施例所得聚多巴胺碳材料的收率表，表中收率的计算方法如下：
其中mo为盐酸多巴胺的质量，mt为所得聚多巴胺碳材料的质量。
对比文献报道的聚多巴胺碳材料的收率，本发明所用的直接一步活化法的收率为8％-11％均高于文献报道的3％。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种制备高比表面积的聚多巴胺碳材料的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将盐酸多巴胺溶于去离子水中，得到盐酸多巴胺水溶液，然后注入乙醇和氨水的混合液中；置于密闭容器中充分搅拌，得到聚多巴胺球混合液，将所得的聚多巴胺球混合液过滤，冲洗，烘干，得到固体聚多巴胺球；
（2）将步骤（1）所得的固体聚多巴胺球和KOH混合，充分混合研磨，在Ar氛围进行高温活化反应，然后进行清洗、过滤、烘干后得到高比表面积的聚多巴胺碳材料。
2.根据权利要求1所述的高比表面积的聚多巴胺碳材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述盐酸多巴胺水溶液按盐酸多巴胺晶体与去离子水的质量比为1：50~200配置，所述盐酸多巴胺溶液与乙醇和氨水按照体积比为盐酸多巴胺溶液：乙醇：氨水= 50~200 :40:1，所述搅拌为在室温下搅拌10~30 h。
3.根据权利要求1所述的高比表面积的聚多巴胺碳材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述固体聚多巴胺球和KOH混合比例为质量比1:1~1:7，所述高温活化反应的反应温度为500~800℃，反应时间为1~3h，所述清洗为用稀盐酸及去离子水冲洗4次；所述烘干为50℃-80℃真空干燥。
4.根据权利要求1所述的高比表面积的聚多巴胺碳材料的制备方法，其特征在于，所述高比表面积的聚多巴胺碳材料的BET比表面积为2343-3534 m2/g，总孔容为1.37-2.23 cm3/g，其中微孔孔容为0.81-1.23 cm3/g；所述高比表面积的聚多巴胺碳材料为小球状结构，粒径在300-600 nm范围内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20141119 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |