一種有序排列孔道的介孔碳納米管束材料及其制備方法技術(shù)

本申請(qǐng)公開了一種有序排列孔道的介孔碳納米管束材料，主要由以下的原料制成：正硅酸乙酯、P123、HCl、正十六烷、蔗糖和濃硫酸，所述介孔碳納米管束材料具有有序排列的納米孔道，且多個(gè)有序排列的納米孔道結(jié)合成一個(gè)管束；納米孔道的孔徑為4.2?nm，比表面積為1262?cm

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種有序排列孔道的介孔碳納米管束材料及其制備方法
本專利技術(shù)涉及一種碳的制備，具體涉及一種有序排列孔道的介孔碳納米管束材料及其制備方法。
技術(shù)介紹
在氣體分離、水凈化、催化劑載體材料、電池的電極材料等領(lǐng)域中，多孔碳材料都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。最為常見的多孔碳材料是活性碳其孔道尺寸在微孔尺度范圍(<2nm)，在面對(duì)一些大分子的應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)無(wú)法滿足需要。比如在用于吸附凈化污染水體中的大量污染物、作為電化學(xué)雙層電容器的電極時(shí)，活性碳無(wú)法滿足需求，而需要使用具有更大的孔徑的多孔碳材料，即孔徑在2-50nm之間的介孔碳材料)才能滿足需求。要得到介孔碳材料，可以采用不同的制備方法，比如用金屬或者有機(jī)金屬化合物作為催化劑催化裂解碳前體、將熱不穩(wěn)定的聚合混合物進(jìn)行碳化、使用間苯二酚-甲醛樹脂這樣的聚合物氣溶膠為前體進(jìn)行碳化。然而，使用這些方法得到的介孔碳材料難以避免孔道尺寸分布寬的缺點(diǎn)。使用模板碳化過程可以控制碳材料的形貌和納米結(jié)構(gòu)，可以把模板具有的特征結(jié)構(gòu)復(fù)制到所制備出的碳材料中，而且有可能提高碳材料的孔徑和孔道形貌的一致性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種有序排列孔道的介孔碳納米管束材料，其具有有序排列的納米孔道，且多個(gè)有序排列的納米孔道結(jié)合成一個(gè)管束；納米孔道的孔徑為4.2nm，比表面積為1262cm2g-1，孔道長(zhǎng)度為200～300nm。本專利技術(shù)還公開了上述有序排列孔道的介孔碳納米管束材料的制備方法。為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)的基礎(chǔ)方案如下：一種有序排列孔道的介孔碳納米管束材料，主要由以下的原料制成：正硅酸乙酯、三嵌段共聚物P123、HCl、正十六烷、蔗糖和濃硫酸，所述P123為53～57.8g，正十六烷與P123的摩爾比為210～215，P123與硅酸乙酯的質(zhì)量比為1：1.3～1.45，所述HCl體積為1500～1750ml，濃度為1.07～1.15mol/L；濃硫酸的濃度大于96％；蔗糖純度為分析純，正十六烷純度大于98％；蔗糖與濃硫酸的質(zhì)量比為7.1：1；所述介孔碳納米管束材料具有有序排列的納米孔道，且多個(gè)有序排列的納米孔道結(jié)合成一個(gè)管束；納米孔道的孔徑為4.2nm，比表面積為1262cm2g-1，孔道長(zhǎng)度為200～300nm?；A(chǔ)方案1的優(yōu)點(diǎn)是：本專利技術(shù)的介孔碳納米管束材料納米孔道的孔徑為4.2nnm，介孔碳材料納米孔道尺寸分布窄，介孔碳材料比表面積為1262cm2g-1，孔道長(zhǎng)度短至200～300nm，而且呈多個(gè)有序排列的納米孔道結(jié)合成一個(gè)管束的形貌特點(diǎn)。這種長(zhǎng)度短至200～300nm、且納米孔道尺寸分布窄的納米孔道會(huì)更加有利于物質(zhì)在其中的傳質(zhì)和擴(kuò)散，而且也有利于其中的熱量的傳遞和散發(fā)，所以有利于對(duì)此種介孔碳材料在吸附材料、催化劑載體材料、分離材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。優(yōu)化方案1，對(duì)基礎(chǔ)方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述P123為55g，正癸烷與P123的摩爾比為212，P123與硅酸乙酯的質(zhì)量比為1：1.35，HCl體積為1500ml，濃度為1.08mol/L，濃硫酸的濃度為98％；蔗糖純度為99％；蔗糖與濃硫酸的質(zhì)量比為7：1。專利技術(shù)人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用上述配比時(shí)，制備的介孔碳納米管束材料均勻性更好。本專利技術(shù)還公開了如下基礎(chǔ)方案2：一種有序排列孔道的介孔碳納米管束材料的制備方法，包括如下步驟：A.向1500～1750ml濃度為1.07～1.15mol/L的HCl中加入53～57.8gP123，攪拌得澄清溶液；B.按正十六烷/P123摩爾比為210～215向步驟A的澄清溶液內(nèi)加入正十六癸烷，攪拌至少12小時(shí)，然后靜置至少24小時(shí)使溶液分層；C.步驟B溶液分層后，去掉上層白色泡沫，按P123與硅酸乙酯的重量比為1：1.3～1.45加入硅酸乙酯，并在攪拌條件下回流水解；D.過濾經(jīng)步驟C處理后的溶液得到白色固體，用去離子水沖洗；E.將沖洗后的白色固體進(jìn)行真空干燥，之后于550～570℃灼燒3.5～4.5小時(shí)得到白色固體粉末；F.將經(jīng)步驟E得到的白色粉末按照與蔗糖的質(zhì)量比為1：1.1～1.3，與濃硫酸的質(zhì)量比為5～5.4：1，與水的質(zhì)量比為1：5～5.3的比例混合，超聲處理混合均勻；G.將步驟F得到的混合物在100℃下處理4～6小時(shí)，然后在160℃下處理5～7小時(shí)；H.將步驟F得到的黑色粉末在保護(hù)氣氣氛下，于850℃下煅燒；I.將步驟H得到的黑色粉末用5％的HF浸泡并攪拌12小時(shí)，然后過濾，用去離子水沖洗后干燥，即得有序排列孔道的介孔碳納米管束材料?；A(chǔ)方案2的優(yōu)點(diǎn)是：在上述的制備方法所包含的制備步驟中，步驟(5)所得的白色粉末是氧化硅，其具有有序排列的氧化硅納米管束結(jié)構(gòu)。此氧化硅粉末的有序排列納米管束結(jié)構(gòu)來(lái)自于三嵌段共聚物P123在正十六烷輔助下于鹽酸中形成的膠束。硅酸乙酯水解過程中沉積在P123膠束上，在經(jīng)過550～570℃下煅燒除去P123膠束即得到具有有序排列的氧化硅納米管束結(jié)構(gòu)的氧化硅材料。步驟(6)、(7)以蔗糖作為碳源，在步驟(5)所得的有序介孔氧化硅孔道中涂布含碳材料層。經(jīng)過步驟(8)對(duì)含碳材料層進(jìn)行完全脫氫處理，步驟(9)用5％HF浸泡攪拌處理以除去氧化硅，即可得到本專利技術(shù)所述的孔徑為4.2nm，孔道長(zhǎng)度為200～300nm，比表面積為1262cm2g-1的有序排列孔道的介孔碳納米管束材料。這種孔徑在4.2nm，長(zhǎng)度短至200～300nm的納米孔道會(huì)更加有利于物質(zhì)在其中的傳質(zhì)和擴(kuò)散，而且也有利于其中的熱量的傳遞和散發(fā)，所以有利于對(duì)此種介孔碳材料在吸附材料、催化劑載體材料、分離材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。此有序排列孔道的介孔碳納米管束材料的孔道尺寸、孔道長(zhǎng)度、孔道的排列有序性等指標(biāo)受到步驟(5)所得的有序介孔氧化硅白色粉末的孔道尺寸、孔道長(zhǎng)度、孔道的排列特性的直接影響；同時(shí)這些指標(biāo)也受到步驟(6)、(7)、(8)、(9)中各種制備參數(shù)的直接控制。優(yōu)化方案2，對(duì)基礎(chǔ)方案2的進(jìn)一步優(yōu)化，步驟A中，HCl濃度為1.09mol/L。專利技術(shù)人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，HCl采用上述濃度時(shí)，制備的介孔碳納米管束材料均勻性更好。優(yōu)化方案3，對(duì)基礎(chǔ)方案2的進(jìn)一步優(yōu)化，步驟C中，回流的溫度為40℃，回流的時(shí)間為24小時(shí)。專利技術(shù)人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在上述條件下回流時(shí)，制備的介孔碳納米管束材料均勻性更好。優(yōu)化方案4，對(duì)基礎(chǔ)方案2的進(jìn)一步優(yōu)化，步驟E中，煅燒的溫度為550℃，時(shí)間為4小時(shí)。專利技術(shù)人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在上述條件下煅燒時(shí)，制備的介孔碳納米管束材料均勻性更好。優(yōu)化方案5，對(duì)基礎(chǔ)方案2、優(yōu)化方案2-4任一項(xiàng)的進(jìn)一步優(yōu)化，步驟F中，白色固體粉末與蔗糖的質(zhì)量比為1：1.2，與濃硫酸的質(zhì)量比為5.3：1，與水的質(zhì)量比為1：5.2，超聲處理時(shí)間為30分鐘。專利技術(shù)人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用上述配比時(shí)，制備的介孔碳納米管束材料均勻性更好。優(yōu)化方案6，對(duì)基礎(chǔ)方案2、優(yōu)化方案2-4任一項(xiàng)的進(jìn)一步優(yōu)化，步驟G中，100℃處理的時(shí)間為5小時(shí)，160℃處理的時(shí)間為6小時(shí)。專利技術(shù)人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在上述條件下處理時(shí)，制備的介孔碳納米管束材料均勻性更好。優(yōu)化方案7，對(duì)基礎(chǔ)方案2、優(yōu)化方案2-4任一項(xiàng)的進(jìn)一步優(yōu)化，步驟I中，850℃煅燒的時(shí)間為6小時(shí)，保護(hù)氣為高純氮?dú)狻８綀D說(shuō)明圖1是實(shí)施例1制備的有序排列孔道的介孔碳納米管束材料的掃描電鏡圖。圖2是實(shí)施例1制備的有序排列孔道的介孔碳納米管束材料的透本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種有序排列孔道的介孔碳納米管束材料，其特征在于，主要由以下的原料制成：正硅酸乙酯、P123、HCl、正十六烷、蔗糖和濃硫酸，所述P123為53～57.8?g，正十六烷與P123的摩爾比為210～215，P123與硅酸乙酯的質(zhì)量比為1：1.3～1.45，所述HCl體積為1500～1750ml?，濃度為1.07～1.15?mol/L；濃硫酸的濃度大于96%；蔗糖純度為分析純，正十六烷純度大于98%；蔗糖與濃硫酸的質(zhì)量比為7.1：1；所述介孔碳納米管束材料具有有序排列的納米孔道，且表現(xiàn)出多個(gè)有序排列的納米孔道結(jié)合成一個(gè)管束的形貌特征；納米孔道的孔徑為4.2?nm，比表面積為1262?cm

【技術(shù)特征摘要】
1.一種有序排列孔道的介孔碳納米管束材料，其特征在于，主要由以下的原料制成：正硅酸乙酯、P123、HCl、正十六烷、蔗糖和濃硫酸，所述P123為53～57.8g，正十六烷與P123的摩爾比為210～215，P123與硅酸乙酯的質(zhì)量比為1：1.3～1.45，所述HCl體積為1500～1750ml，濃度為1.07～1.15mol/L；濃硫酸的濃度大于96%；蔗糖純度為分析純，正十六烷純度大于98%；蔗糖與濃硫酸的質(zhì)量比為7.1：1；所述介孔碳納米管束材料具有有序排列的納米孔道，且表現(xiàn)出多個(gè)有序排列的納米孔道結(jié)合成一個(gè)管束的形貌特征；納米孔道的孔徑為4.2nm，比表面積為1262cm2g-1，孔道長(zhǎng)度為200～300nm。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有序排列孔道的介孔碳納米管束材料，其特征在于，所述P123為55g，正癸烷與P123的摩爾比為212，P123與硅酸乙酯的質(zhì)量比為1：1.35，HCl體積為1500ml，濃度為1.08mol/L，濃硫酸的濃度為98%；蔗糖與濃硫酸的質(zhì)量比為7：1。3.如權(quán)利要求1所述的有序排列孔道的介孔碳納米管束材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：A．向1500～1750ml濃度為1.07～1.15mol/L的HCl中加入53～57.8gP123，攪拌得澄清溶液；B．按正十六烷/P123摩爾比為210～215向步驟A的澄清溶液內(nèi)加入正十六癸烷，攪拌至少12小時(shí)，然后靜置至少24小時(shí)使溶液分層；C．步驟B溶液分層后，去掉上層白色泡沫，按P123與硅酸乙酯的重量比為1：1.3～1.45加入硅酸乙酯，并在攪拌條件下回流水解；D．過濾經(jīng)步驟C處理后的溶液得到白色固體，用去離子水沖洗；...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張海東，胡玲，胡玥玥，申渝，焦昭杰，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：重慶工商大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：重慶,50