一种介孔碳基固体酸的制法及其制得的介孔碳基固体酸和用途技术领域
本发明涉及一种具有表面酸性的介孔碳。
背景技术
多孔碳材料在吸附、催化、生物分子分离、生物酶、储氢以及电化学方面有广泛的应用。
目前为止，介孔碳的合成主要有两种路线，一种是利用有序的介孔硅、介孔硅铝材料等有序
的前体为模板，利用蔗糖、葡萄糖、糠醇等为碳源通过纳米铸造的方法来合成，该方法可以
统称为“硬模板”的方法，如，复旦大学刘晓英的专利，申请号：03114799.2，北京工业大
学戴洪兴的专利，申请号：200710118755.1，华东师范大学单永奎的专利，申请号：
200710036630.4；另外一种主要的合成方法是所谓的“软模板”的方法，该软模板的方法通
常是利用非离子性的表面活性剂为模板，以可溶性的树脂为碳源通过溶液中的有机-有机自组
装来形成有序的介孔中间相，通过高温惰性气氛中被烧取出模板，碳化碳源得到有序介孔碳
材料，如复旦大学的赵东元的专利所述，申请号：200710044247.3；200610024389.9；
200610023663.0，在该软模板的方法基础上同时出现了一些掺杂的碳基材料，如上海师范大
学的李合兴的专利，申请号：200610148372.4；200610148374.3；200610148375.8。以上两
种方法是目前为止介孔碳基材料主要的合成方法，硬模板的方法可以得到高度有序的介孔碳
基材料，但是其合成过程烦琐，而且成本高。基于有机-有机的作用的软模板方法是一种很有
前途的方法，目前的合成方法大都是利用可溶性的酚醛树脂高分子材料为碳源，但是其组装
过程需要对体系的酸碱度进行精准的控制，因此增加了合成介孔碳的难度。
发明内容
本发明提供了一种介孔碳基固体酸的制备方法，本发明采用了价格低廉的碳水化合物为
碳源，大大降低了成本，利用操作简单的蒸发诱导自组装碳化的方法制备。
本发明可以通过如下技术方案实现：
一种介孔碳基固体酸的制备方法，它包括下列步骤：
步骤1、将3.42-3.60g水溶性的碳水化合物溶解于40ml水中得到前体溶液；
步骤2、称取0.5-1.5g非离子型表面活性剂并将其溶解于步骤1所制备的前体溶液中
得到前体和模板的混合溶液；
步骤3、量取5.0ml的无机酸并将其溶解于步骤2所制备的混合溶液中；
步骤4、将步骤3中制备的包含前体，模板和无机酸的混合溶液转移到培养皿中，然后
将培养皿先在40-60℃下蒸发6h，然后在100-150℃热固6-24h，得到前体和模板的混合物；
步骤5、将步骤4得到的混合物在惰性气氛下直接焙烧去除模板得到介孔碳基固体酸。
上述的介孔碳基固体酸的制备方法，步骤1所述的可溶性碳水化合物为蔗糖，葡萄糖，
果糖。
上述的介孔碳基固体酸的制备方法，步骤2所述的非离子型表面活性剂为P123，F127、
F108。
上述的介孔碳基固体酸的制备方法，步骤3所述的无机酸为浓硫酸(98％)，浓磷酸(85％)。
上述的介孔碳基固体酸的制备方法，步骤5所述的焙烧温度为400℃，升温速率为1℃
/min.
一种上述介孔碳基固体酸的制备方法制得的介孔碳基固体酸。
上述的介孔碳基固体酸在催化果糖转化制备5-羟甲基糠醛中的应用。
一种采用上述的介孔碳基固体酸催化果糖转化制备5-羟甲基糠醛方法，它包括下列步
骤：
步骤1、将100mg果糖溶于10ml溶剂中，在果糖溶液中加入80mg的上述的有序介孔
碳基固体酸；
步骤2、将步骤1的混合体系在惰性气体保护下加热至70℃后搅拌反应0-6小时，每隔
一个小时取一次样，取样后通过离心除去催化剂，得到产物的溶液，对反应体系利用高效液
相色谱进行检测分析，到达反应终点后停止反应。
该方法对果糖催化转化制备5-羟甲基糠醛的收率达到85％。
本发明的有益效果在于：
1.本方法采用了价格低廉的格低廉的碳水化合物为碳源，大大降低了成本；
2.蒸发诱导自组装碳化的方法的操作简单，制备过程时间短，便于大规模生产。
3.利用本发明制备的介孔碳基固体酸可以作为催化剂用于果糖催化转化。
附图说明
下面利用附图对该发明进行进一步的说明。
图1为介孔碳基固体酸的透射电镜照片。
图2为介孔碳基固体酸的小角和广角X射线衍射图。
图3为介孔碳基固体酸的氮气吸附脱附等温线。
图4为介孔碳基固体酸的孔径分布曲线。
图5为介孔碳基固体酸的红外光谱图。
具体实施方式
本发明将用以下的实施例来加以详细的说明，但这些实施例仅是为说明本发明，而本发明并
不局限于此。
实施例1
称取3.42g蔗糖，将其共同溶解于40ml水中得到前体溶液，然后将0.5gP123溶解于
前体溶液中得到前体和模板的混和溶液。将5ml浓硫酸(98％)缓慢加入到前体和模板的混
合溶液中，搅拌均匀，将前体和模板的混合溶液转移至培养皿中，在温度为40℃下保持6h，
然后转移至100℃烘箱内继续保持6h后得到前体和模板的混合物，将得到的混合物在惰性气
氛下以升温速率为1℃/min至400℃焙烧4h去除模板，即得到介孔碳基固体酸。产物的形貌
通过透射电镜表征，如图1所示，产物的结晶性通过X射线衍射图表征，如图2的光角X射
线衍射图所示，产物的孔结构通过透射电镜和氮气吸附等温线表征，如图3和图4所示。
实施例2
称取3.42g蔗糖，将其共同溶解于40ml水中得到前体溶液，然后将1.0gF127溶解
于前体溶液中得到前体和模板的混和溶液。将5ml浓磷酸(85％)缓慢加入到前体和模板的
混合溶液中，搅拌均匀，将前体和模板的混合溶液转移至培养皿中，在温度为50℃下保持6h，
然后转移至100℃烘箱内继续保持6h后得到前体和模板的混合物，将得到的混合物在惰性气
氛下以升温速率为1℃/min至400℃焙烧4h去除模板，即得到介孔碳基固体酸。产物的形貌
和结晶性和实施例1得到的相似。
实施例3
称取3.42g蔗糖，将其共同溶解于40ml水中得到前体溶液，然后将1.5gF108溶解
于前体溶液中得到前体和模板的混和溶液。将5ml浓磷酸(85％)缓慢加入到前体和模板的
混合溶液中，搅拌均匀，将前体和模板的混合溶液转移至培养皿中，在温度为60℃下保持6h，
然后转移至100℃烘箱内继续保持6h后得到前体和模板的混合物，将得到的混合物在惰性气
氛下以升温速率为1℃/min至400℃焙烧4h去除模板，即得到介孔碳基固体酸。产物的形貌
和结晶性和实施例1得到的相似。
实施例4
称取3.60g葡萄糖，将其共同溶解于40ml水中得到前体溶液，然后将0.5gP123溶
解于前体溶液中得到前体和模板的混和溶液。将5ml浓磷酸(85％)缓慢加入到前体和模板
的混合溶液中，搅拌均匀，将前体和模板的混合溶液转移至培养皿中，在温度为50℃下保持
6h，然后转移至150℃烘箱内继续保持6h后得到前体和模板的混合物，将得到的混合物在惰
性气氛下以升温速率为1℃/min至400℃焙烧4h去除模板，即得到介孔碳基固体酸。产物的
形貌和结晶性和实施例1得到的相似。
实施例5
称取3.60g葡萄糖，将其共同溶解于40ml水中得到前体溶液，然后将1.5gF127溶
解于前体溶液中得到前体和模板的混和溶液。将5ml浓硫酸(98％)缓慢加入到前体和模板
的混合溶液中，搅拌均匀，将前体和模板的混合溶液转移至培养皿中，在温度为40℃下保持
6h，然后转移至120℃烘箱内继续保持6h后得到前体和模板的混合物，将得到的混合物在惰
性气氛下以升温速率为1℃/min至400℃焙烧4h去除模板，即得到介孔碳基固体酸。产物的
形貌和结晶性和实施例1得到的相似。
实施例6
称取3.60g葡萄糖，将其共同溶解于40ml水中得到前体溶液，然后将1.0gF108溶
解于前体溶液中得到前体和模板的混和溶液。将5ml浓磷酸(85％)缓慢加入到前体和模板
的混合溶液中，搅拌均匀，将前体和模板的混合溶液转移至培养皿中，在温度为40℃下保持
6h，然后转移至100℃烘箱内继续保持6h后得到前体和模板的混合物，将得到的混合物在惰
性气氛下以升温速率为1℃/min至400℃焙烧4h去除模板，即得到介孔碳基固体酸。产物的
形貌和结晶性和实施例1得到的相似。
利用以上实施例得到的介孔碳基固体酸具有丰富的表面酸性基团，图5所示的红外光谱
图是利用实施例1得到的介孔碳的表面基团的红外谱图。
实施例7
果糖催化转化为5-羟甲基糠醛的反应在烧瓶内完成，将100mg果糖溶解于10ml二甲基
亚砜中，在果糖溶液中加入80mg的催化剂，然后将混合体系在氮气的加热至70℃后搅拌反
应0-6小时，每隔一个小时取一次样，取样后通过离心将催化剂分离出来，对反应体系利用
高效液相色谱进行检测分析。产物采用装有FID检测器和色谱柱的气相色谱仪进行分析，到
达反应终点后停止反应，5-羟甲基糠醛的收率达到85％。