专利摘要

本发明公开一种磁性多孔碳材料及其制备方法，方法包括步骤：惰性氛围下，结构导向模板、催化剂分散到缚酸剂和有机溶剂，搅拌1‑3h，加入二茂铁基二卤代单体和炔基单体，60‑100℃搅拌24‑72h，纯化得核壳型复合材料；将核壳型复合材料分散到有机酸中，搅拌10‑30min，纯化得聚合物壳；惰性氛围下，500‑700℃热解聚合物壳得磁性多孔碳材料；所述二茂铁基二卤代单体为X为Br或I；所述炔基单体为该制备方法可通过改变单体的结构控制聚合物的孔径进而调控材料的比表面积。该磁性多孔材料比表面积大，对有机污染物的吸附性能优；磁性好且不会出现相分离，可通过磁性回收提高了材料的重复利用率。

权利要求

1.一种磁性多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：

A、在惰性气体保护下，将结构导向模板、催化剂分散在缚酸剂和有机溶剂中，搅拌1-3h，加入二茂铁基二卤代单体和炔基单体，60-100℃搅拌24-72h，冷至室温，对反应混合液进行纯化处理，得到核壳型复合材料；

B、将所述核壳型复合材料分散在有机酸中，搅拌10-30min，然后对分散液进行纯化处理，得到聚合物壳；

C、在惰性气体保护下，500-700℃热解所述聚合物壳，得到磁性多孔碳材料。

2.根据权利要求1所述的磁性多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，所述二茂铁基二卤代单体选自中的一种，X为Br或I；所述炔基单体选自中的一种。

3.根据权利要求1所述的磁性多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，所述结构导向模板为ZIF-67。

4.根据权利要求1所述的磁性多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，所述催化剂为Pd(PPh3)4/CuI或Pd(PPh3)2Cl2/CuI。

5.根据权利要求1所述的磁性多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，所述炔基单体、所述二茂铁基二碘代单体、所述催化剂、所述结构导向模板之间的配比为1mmol：1.5-2mmol：0.02-0.05mmol：0.25-1g。

6.根据权利要求1所述的磁性多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，所述缚酸剂为三乙胺或二异丙胺；所述有机溶剂选自四氢呋喃、三氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺中的一种；所述缚酸剂与所述有机溶剂的体积比为1-3:1。

7.根据权利要求1所述的磁性多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，所述纯化处理的步骤包括：将反应混合液进行抽滤，依次用二氯甲烷、丙酮、甲醇、1,2-二氯乙烷洗涤滤饼即可。

8.根据权利要求1所述的磁性多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤B中，所述有机酸为冰醋酸。

9.根据权利要求1所述的磁性多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤B中，所述纯化处理的步骤包括：将所述分散液进行抽滤，依次用二氯甲烷、丙酮洗涤滤饼，干燥。

10.一种磁性多孔碳材料，其特征在于，所述磁性多孔碳材料由权利要求1-9任一所述的磁性多孔碳材料的制备方法制备得到；所述磁性多孔碳材料包括碳材料和分散在所述碳材料中的磁性铁纳米颗粒。

说明书

技术领域

本发明涉及碳材料制备技术领域，尤其涉及一种磁性多孔碳材料及其制备方法。

背景技术

随着现代工农业生产废污水和生活污水的大量排放，水环境污染日益严重，其中重金属和难降解有机物污染(如多环芳烃、多氯联苯、芳香硝基化合物)问题，已成为我国水污染防关注的焦点。

多孔碳材料比表面积大，对重金属和有机污染物具有较大的吸附能力，但其在吸附去除污染物后往往难以分离回收，容易造成资源浪费和二次污染。近年来开发的磁性碳吸附材料在吸附污染物时还具有易于磁性回收的特点，但传统的磁性碳吸附材料常由磁性功能材料和碳材料经物理方法或机械手段等混合而成，这种方式制得磁性碳吸附材料往往存在重复利用率低、易出现相分离的缺点。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种磁性多孔碳材料及其制备方法，旨在解决现有磁性碳吸附材料重复利用率低、易出现相分离的问题。

本发明的技术方案如下：

一种磁性多孔碳材料的制备方法，其中，包括步骤：

A、在惰性气体保护下，将结构导向模板、催化剂分散在缚酸剂和有机溶剂中，搅拌1-3h，加入二茂铁基二卤代单体和炔基单体，60-100℃搅拌24-72h，冷至室温，对反应混合液进行纯化处理，得到核壳型复合材料；

B、将所述核壳型复合材料分散在有机酸中，搅拌10-30min，然后对分散液进行纯化处理，得到聚合物壳；

C、在惰性气体保护下，500-700℃热解所述聚合物壳，得到磁性多孔碳材料。

所述的磁性多孔碳材料的制备方法，其中，所述步骤A中，所述二茂铁基二卤代单体选自 中的一种，X为Br或I；所述炔基单体选自 中的一种。

所述的磁性多孔碳材料的制备方法，其中，所述步骤A中，所述结构导向模板为ZIF-67。

所述的磁性多孔碳材料的制备方法，其中，所述步骤A中，所述炔基单体、所述二茂铁基二碘代单体、所述催化剂、所述结构导向模板之间的配比为1mmol：1.5-2mmol：0.02-0.05mmol：0.25-1g。

所述的磁性多孔碳材料的制备方法，其中，所述步骤A中，所述催化剂为Pd(PPh3)4/CuI或Pd(PPh3)2Cl2/CuI。

所述的磁性多孔碳材料的制备方法，其中，所述步骤A中，所述缚酸剂为三乙胺或二异丙胺；所述有机溶剂选自四氢呋喃、三氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺中的一种；所述缚酸剂与所述有机溶剂的体积比为1-3:1。

所述的磁性多孔碳材料的制备方法，其中，所述步骤A中，所述纯化处理的步骤包括：将反应混合液进行抽滤，依次用二氯甲烷、丙酮、甲醇、1,2-二氯乙烷洗涤滤饼即可。

所述的磁性多孔碳材料的制备方法，其中，所述步骤B中，所述有机酸为冰醋酸。

所述的磁性多孔碳材料的制备方法，其中，所述步骤B中，所述纯化处理的步骤包括：将所述分散液进行抽滤，依次用二氯甲烷、丙酮洗涤滤饼，干燥。

一种磁性多孔碳材料，其中，所述磁性多孔碳材料由如上所述的磁性多孔碳材料的制备方法制备得到；所述磁性多孔碳材料包括碳材料和分散在所述碳材料中的磁性铁纳米颗粒。

有益效果：本发明的制备方法可通过改变聚合物反应单体的结构控制聚合物的孔径，进而调控材料的比表面积。本发明制得的磁性多孔材料比表面积大，该磁性多孔碳材料可用于有机污染物吸附时吸附性能更优；其中，磁性铁纳米颗粒均匀分散嵌入到碳材料中，使得磁性多孔碳材料具有良好的磁性且不会出现相分离，可通过磁性回收提高材料的重复利用率。

附图说明

图1为本发明实施例1磁性多孔碳材料的制备路线图。

图2为本发明实施例1各步骤制得的材料的电镜测试图：其中，(a)为结构导向模板ZIF-67的SEM图；(b)为ZIF-67@聚合物的SEM图；(c)为聚合物壳的SEM图，(d)为聚合物壳的TEM图；(e)为磁性多孔碳材料的SEM图，(f)为磁性多孔碳材料的TEM图。

图3为本发明实施例1制得的磁性多孔碳材料的氮气吸附-脱附等温线。

图4为本发明实施例1制得的磁性多孔碳材料的磁滞回线。

具体实施方式

本发明提供一种磁性多孔碳材料及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种磁性多孔碳材料的制备方法，其中，包括步骤：

A、在惰性气体(优选氮气)保护下，将结构导向模板、催化剂分散在缚酸剂和有机溶剂中，搅拌1-3h(优选1h)，加入二茂铁基二卤代单体和炔基单体，60-100℃(优选90℃)搅拌24-72h(优选24h)，冷至室温，对反应混合液进行纯化处理，得到核壳型复合材料；

B、将所述核壳型复合材料分散在有机酸(优选冰醋酸)中，搅拌10-30min(优选10min)，然后对分散液进行纯化处理，得到聚合物壳；

C、在惰性气体(优选氮气)保护下，500-700℃(优选600℃)热解所述聚合物壳，得到磁性多孔碳材料。

具体地，聚合物反应单体在催化剂作用下在结构导向模板表面进行原位缩聚反应，得到的聚合物包覆在结构导向模板表面，形成以结构导向模板为核、以三维延展的聚合物为壳的核壳型复合材料；在有机酸作用下，结构导向模板因骨架破坏被刻蚀掉得到中空的聚合物壳；对聚合物壳进行高温热解，聚合物壳中的二茂铁分解形成磁性铁纳米颗粒，聚合物的骨架分解形成多孔碳材料，其中磁性铁纳米颗粒均匀分散在碳材料中。

在一种优选的实施方式中，所述步骤A中，所述二茂铁基二卤代单体可以选自但不限于 中的一种，X为Br或I；所述炔基单体可以选自但不限于 中的一种。

在一种优选的实施方式中，所述步骤A中，所述结构导向模板可以选自ZIF-67或其他具有规则多面体形貌的金属有机骨架材料。沸石咪唑酯骨架结构材料(ZeoliticImidazolate Frameworks，ZIFs)是一类新型的多孔性配位聚合物(porous coordinationpolymers，PCPs)或金属有机骨架材料(metal-organic frameworks，MOFs)，通过将其咪唑环上的N原子络合到二价过渡金属离子上而形成具有类沸石拓扑结构的多孔晶体材料；这种材料的特殊结构使其具有较高的结晶性、较窄的孔径分布、大比表面积、良好的热稳定性和化学稳定性。二甲基咪唑钴(简称ZIF-67)是由Co2+与2-甲基咪唑间的络合作用而自组装形成的超分子微孔网络结构材料；其在水蒸气和有机溶剂回流的情况下仍能保持较高的稳定性使得其在作为结构导向模板、非均相催化剂的载体方面拥有独特的优越性。

在一种优选的实施方式中，所述步骤A中，所述催化剂可以选自但不限于Pd(PPh3)4/CuI、Pd(PPh3)2Cl2/CuI中的一种，其中，Pd(PPh3)4/CuI指摩尔比为1:1的Pd(PPh3)4和CuI的组合物；Pd(PPh3)2Cl2/CuI指摩尔比为1:1的Pd(PPh3)2Cl2和CuI的组合物。

在一种优选的实施方式中，所述步骤A中，所述炔基单体、所述二茂铁基二碘代单体、所述催化剂、所述结构导向模板之间的配比为1mmol：1.5-2mmol：0.02-0.05mmol：0.25-1g。也就是说，在所述步骤A的反应体系中，基于1mmol所述炔基单体，所述二茂铁基二碘代单体的添加量为1.5-2mmol，所述催化剂的添加量为0.02-0.05mmol，所述结构导向模板的添加量为0.25-1g。

在一种优选的实施方式中，所述步骤A中，所述有机溶剂可以选自但不限于四氢呋喃、三氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺中的一种；更优选地，所述有机溶剂为四氢呋喃。所述缚酸剂可以选自但不限于三乙胺、二异丙胺中的一种；更优选地，所述缚酸剂为三乙胺。需要说明的是，本发明所述缚酸剂本身的结构较稳定，不参与聚合反应，不会对反应物与反应液造成不良影响；根据平衡移动原理，其作用是通过与因聚合产生的小分子HX(X＝Br或I)结合形成盐从反应液中析出，从而有利于聚合反应向正向移动。所述缚酸剂与所述有机溶剂的体积比为1-3:1

在一种优选的实施方式中，所述步骤A中，所述纯化处理的步骤包括：将反应混合液进行抽滤，依次用二氯甲烷、丙酮、甲醇、1,2-二氯乙烷洗涤滤饼即可。

在一种优选的实施方式中，所述步骤B中，所述纯化处理的步骤包括：将所述分散液进行抽滤，依次用二氯甲烷、丙酮洗涤滤饼，干燥。

本发明实施例提供一种磁性多孔碳材料，其中，所述磁性多孔碳材料由本发明实施例所述的磁性多孔碳材料的制备方法制备得到；所述磁性多孔碳材料包括碳材料和分散在所述碳材料中的磁性铁纳米颗粒。本发明实施例提供的磁性多孔材料比表面积大，且其大小可过改变聚合物反应单体的结构进行调控；同时，磁性铁纳米颗粒均匀分散嵌入到碳材料中，使得该磁性多孔材料具有良好的磁性且不会出现相分离，利于磁性回收；该磁性多孔材料可用于有机污染物吸附，吸附性能良好。

下面通过实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例的磁性多孔碳材料的制备路线图如图1所示，需要说明的是，结构导向模板ZIF-67、核壳型复合材料、聚合物壳在该路线图中的形状不代表其实际形貌，采用图中的形状只是为了能够更直接地对磁性多孔碳材料的制备过程进行表达说明。

(1)向100mL双口圆底烧瓶中加入1g ZIF-67、40mg Pd(PPh3)2Cl2和10.6mg CuI，抽真空，回填氮气，氮气保护下，加入50mL三乙胺和20mL四氢呋喃，室温下剧烈搅拌1h；接着将2,7-二碘-9-(二茂铁乙烯基)-9H-芴(3mmol)和三(4-乙炔苯基)胺(2mmol)加入到反应烧瓶中充分搅拌溶解，加热至90℃回流反应24h；然后将反应液直接抽滤，并依次用二氯甲烷、丙酮、甲醇、1,2-二氯乙烷洗涤滤饼，得到核壳型复合材料ZIF-67@聚合物。对结构导向模板ZIF-67、ZIF-67@聚合物进行场发射扫描电子显微镜(Field emission scanning electronmicroscope，简称SEM)测试，SEM测得的结果如图2所示，其中，ZIF-67的SEM图如(a)所示，其形貌为实心十二面体；ZIF-67@聚合物的SEM图如(b)所示，其保持了ZIF-67原有的十二面体的形貌。

(2)刻蚀：将ZIF-67@聚合物置于冰醋酸中，剧烈搅拌10min，过滤，然后依次用二氯甲烷、丙酮洗涤滤饼，滤饼干燥后即得到中空的聚合物壳；该聚合物壳的结构式为 其中， 对该聚合物壳进行场发射扫描电子显微镜(Field emission scanning electron microscope，简称SEM)测试，SEM测得的结果如图2中的(c)所示，其形貌为透明的十二面体，说明该十二面体的中心是空的。这进一步说明了步骤(1)制得的ZIF-67@聚合物为核壳型复合材料；ZIF-67作为核被刻蚀溶于冰醋酸后剩下的聚合物壳的相貌并未坍塌，保留有中空的十二面体。对该聚合物壳进行透射电子显微镜(Transmission electronic microscopy，简称TEM)测试，TEM测得的结果如图2中的(d)所示，可知该聚合物壳均匀平滑。

(3)热解：在氮气保护下，将聚合物壳在600℃进行热解，形成磁性多孔碳材料。对该磁性多孔碳材料进行场发射扫描电子显微镜(Field emission scanning electronmicroscope，简称SEM)测试，SEM测得的结果如图2中的(e)所示。对该磁性多孔碳材料进行透射电子显微镜(Transmission electronic microscopy，简称TEM)测试，TEM测得的结果如图2中的(f)所示，表明碳材料中分散有磁性铁纳米颗粒；说明该聚合物壳的骨架被碳化形成碳材料，聚合物壳中含有的二茂铁分解形成磁性铁纳米颗粒并均匀分散在碳材料中。对该磁性多孔碳材料进行吸附-脱附测试，测得的氮气吸附-脱附等温线如图3所示，表明该磁性多孔碳材料具有吸附性能；对该磁性多孔碳材料进行磁性测试，测得的磁滞回线如图4所示，表明该磁性多孔碳材料具有一定的磁性，可进行磁性回收，利于材料重复利用。

综上所述，本发明提供了一种磁性多孔碳材料及其制备方法。本发明的制备方法通过引入结构导向模板，使得聚合物反应单体在催化剂作用下能够在其表面进行原位缩聚反应，得到的聚合物包覆在其表面，形成以结构导向模板为核、以三维延展的聚合物为壳的核壳型复合材料；在有机酸作用下，结构导向模板因骨架破坏被刻蚀掉，得到中空的聚合物壳；对聚合物壳进行高温热解，形成磁性铁纳米颗粒均匀分散在碳材料中的磁性多孔碳材料。本发明的制备方法可通过改变聚合物反应单体的结构控制聚合物的孔径，进而调控材料的比表面积。本发明制得的磁性多孔材料比表面积大，可用于有机污染物吸附时吸附性能更优；同时，热解形成的磁性铁纳米颗粒均匀分散嵌入到碳材料中，使得磁性多孔碳材料的磁性良好且不会出现相分离，可通过磁性回收提高材料的重复利用率。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

一种磁性多孔碳材料及其制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。