一種三維有序方形孔介孔碳骨架材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無機(jī)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三維有序方形孔介孔碳骨架材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]有序介孔碳材料由于具有較大的比表面積、規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)排列，狹窄的孔徑分布等特性，引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，其應(yīng)用領(lǐng)域較廣，且具有巨大的應(yīng)用前景。由于其高度有序的孔道分布和高比表面積，介孔碳材料在吸附與分離、催化劑、超級(jí)電容器以及能源存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)換設(shè)備制造等方面吸引了巨大的關(guān)注。
[0003]傳統(tǒng)制備維有序方形孔介孔碳骨架材料的方法有很多，如硬模板法、軟模板法、催化活化法、溶膠-凝膠法合成。硬模板法是以有序介孔材料作為硬模板，將碳前驅(qū)體澆注到有序的孔道中，最后去除主體材料得到有序介孔碳材料。軟模板自組裝法是利用有機(jī)超分子(如三嵌段共聚物P123、F127等)為模板劑，通過非共價(jià)鍵的相互作用，使碳源與模板劑形成有機(jī)-有機(jī)自組裝，從而合成有序介孔碳。以上兩種方法原理簡單，但步驟相對(duì)復(fù)雜，需額外合成模板，且難以靈活調(diào)控介孔碳的孔徑與孔道形貌。
[0004]本發(fā)明是將粒徑均勻的方形四氧化三鐵納米顆粒分散在有機(jī)溶劑中，首先通過溶劑揮發(fā)誘導(dǎo)納米顆粒自組裝成有序的方形三維納米超晶格，通過高溫使納米顆粒表面的長鏈配體碳化，再使用無機(jī)酸將形成超晶格的納米顆粒刻蝕掉，便可得到具有方形孔的三維有序介孔碳骨架材料。本發(fā)明合成的三維有序方形孔介孔碳骨架材料，因其較高的比表面積、合適的孔徑分布，利于電解質(zhì)離子在電極中快速有效地傳輸，實(shí)現(xiàn)能量的快速充放，可以作為良好的電極材料，在雙電層電容、電池方面有著巨大的應(yīng)用潛力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡單的制備三維有序方形孔介孔碳骨架材料的制備方法。
[0006]本發(fā)明提供的三維有序方形孔介孔碳骨架材料的方法，通過溶劑揮發(fā)誘導(dǎo)方形四氧化三鐵納米顆粒自組裝成高度有序的納米超晶格，將顆粒表面的有機(jī)分子高溫碳化，獲得碳包覆的方形四氧化三鐵納米顆粒超晶格，再用酸刻蝕將四氧化三鐵納米顆粒除去，以獲得高度有序的三維方形孔介孔碳骨架材料。本發(fā)明方法簡單，原料易得，成本較低，通過控制起始四氧化三鐵納米顆粒的形貌及大小，對(duì)介孔碳骨架的孔道的形狀和大小進(jìn)行調(diào)控。具體步驟如下:
(I)以油酸鐵、油酸鈉和油酸作為原料，采用快速升溫，高溫溶液法制備單分散的方形四氧化三鐵納米顆粒，所得納米顆粒表面由油酸分子所包覆;納米粒子的粒徑可以通過調(diào)變溫度、配體用量、溶劑、升溫速率等進(jìn)行調(diào)制;將上述納米顆粒溶于非極性溶劑中，形成穩(wěn)定的方形四氧化三鐵納米顆粒膠體溶液；
(2 )將所得方形四氧化三鐵納米顆粒膠體溶液置于瓷舟中，控制其溶劑揮發(fā)速率，誘導(dǎo)納米顆粒自組裝，溶劑完全揮發(fā)后即得到高度有序的三維方形四氧化三鐵納米超晶格；
(3)將三維有序方形四氧化三鐵納米超晶格在惰性氣氛下高溫煅燒，碳化納米顆粒表面的油酸配體分子，得到碳包覆的三維有序方形四氧化三鐵納米超晶格；
(4)將碳包覆的三維有序方形四氧化三鐵納米超晶格分散于無機(jī)酸中進(jìn)行刻蝕處理，去除四氧化三鐵納米顆粒后得到具有高比表面積、三維有序方形孔孔道結(jié)構(gòu)的介孔碳材料；
本發(fā)明中，所述的高溫溶液法反應(yīng)溫度為300?350 0C，反應(yīng)時(shí)間約0.5?2小時(shí)，升溫速率約5-50°C每分鐘；油酸的濃度為1.5-4.5 mM，油酸鈉的濃度為0.5_3mM，所用反應(yīng)溶劑為十六稀、十八稀、二十稀中的一種或其中的多種;所得四氧化三鐵納米粒子粒徑為5?30 nm；所述非極性溶劑為正己烷、辛烷、甲苯、氯仿中的一種或其中的多種。
[0007]本發(fā)明中，所述的高溫煅燒的溫度為300?700 °C，煅燒的溫度為60?180分鐘。
[0008]本發(fā)明中，所述的無機(jī)酸為濃鹽酸、硝酸、硫酸中的一種或其中的幾種，刻蝕溫度為20?60 °C。
[0009]掃描電鏡分析
圖1為碳包覆方形四氧化三鐵納米顆粒超晶格的掃描電鏡圖。從圖中可以看出，通過溶劑揮發(fā)自組裝，高溫碳化后可以得到高度有序超晶格結(jié)構(gòu)。
[0010]透射電鏡分析
圖2為本發(fā)明制備的方形四氧化三鐵納米顆粒的透射電鏡照片。從圖中可以看出，方形四氧化三鐵納米顆粒的粒徑約為20nm。
[0011]圖3為本發(fā)明制備的三維有序方形孔介孔碳骨架材料的透射電鏡圖片。從圖中可以看出，碳骨架的結(jié)構(gòu)高度有序且具有方形孔道。
[0012]比表面數(shù)據(jù)分析
圖4為本發(fā)明制備的三維有序方形孔介孔碳骨架的氮?dú)馕矫摳角€圖，從圖中可以看出，介孔碳骨架的比表面積為1179 m2/g。
[0013]圖5為本發(fā)明制備的三維有序方形孔介孔碳骨架的孔徑分布圖，從圖中可以看出，介孔碳骨架的孔徑約為17nm。
[0014]綜上所述，本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)具有以下特點(diǎn):
本發(fā)明以油酸鐵和油酸鈉為原料，高溫裂解得到粒徑均勻的方形四氧化三鐵納米顆粒，表面由油酸包覆，在瓷舟中采用溶劑揮發(fā)自組裝的方法，得到碳包覆的方形四氧化三鐵納米顆粒超晶格，用無機(jī)酸刻蝕，制備出具有高度有序且連續(xù)的三維有序方形孔介孔碳骨架材料。該材料具有以下優(yōu)勢:介孔碳的孔結(jié)構(gòu)高度有序且連續(xù)，比表面積大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在吸附與分離、儲(chǔ)能、傳感等方面有廣泛的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明制備的碳包覆方形四氧化三鐵納米顆粒超晶格的掃描電鏡圖。
[0016]圖2為本發(fā)明制備的方形四氧化三鐵納米顆粒的透射電鏡照片。
[0017]圖3為本發(fā)明制備的三維有序方形孔介孔碳骨架材料的透射電鏡圖片。
[0018]圖4為本發(fā)明制備的三維有序方形孔介孔碳骨架的氮?dú)馕矫摳角€圖。
[0019]圖5為本發(fā)明制備的三維有序方形孔介孔碳骨架的孔徑分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面通過實(shí)施例進(jìn)一步描術(shù)本發(fā)明。
[0021]實(shí)施例1
(I)方形Fe304納米粒子的制備:將3.6 g油酸鐵，0.6g油酸鈉和1.08 g油酸溶于1ml十八稀中，50°C每分升溫，氮?dú)獗Ｗo(hù)下350°C反應(yīng)120 min，得到粒徑約為20 nm的方形四氧化三鐵納米顆粒，加入乙醇將納米顆粒沉淀出來，離心后，將所得納米粒子溶于正己烷中，形成濃度約為10 mg mL—1的穩(wěn)定膠體溶液。
[0022](2)油酸包覆方形Fe3O4納米粒子超晶格的