[發(fā)明專利]一種具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的多孔碳質(zhì)吸附材料的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210009264.4
• 申請日: 2012-01-13
• 公開（公告）號(hào): CN102553531A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邱軍;孔玉霞
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J20/20
• 分類號(hào): B01J20/20;B01J20/30
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的多孔碳質(zhì)吸附材料的制備方法。

背景技術(shù)

隨著全球氣候變暖加劇，溫室效應(yīng)所帶來的環(huán)境問題日漸為人們所關(guān)注。根據(jù)聯(lián)合國氣候大會(huì)通過的《京都議定書》中的規(guī)定，溫室氣體包括二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟碳化物和六氟化硫等六種氣體，其中二氧化碳是最主要的溫室氣體。持續(xù)的溫室氣體排放，不僅會(huì)導(dǎo)致全球變暖，使冰川融化，海平面上升，還會(huì)造成氣候反常，海洋風(fēng)暴增多，土地干旱和沙漠化面積增大等等，所以，必須加大CO₂等溫室氣體排放后的捕集力度。但是，現(xiàn)階段的二氧化碳吸收材料，如有機(jī)氨溶液、堿性氧化物、硅膠、沸石和活性炭等常見吸附材料普遍存在吸收效率低、材料利用率低、循環(huán)使用性能差等缺點(diǎn)。因此，具有高效吸收率、高利用率和高循環(huán)利用性的溫室氣體吸收材料的研究與開發(fā)具有深遠(yuǎn)的科學(xué)意義和重要的應(yīng)用價(jià)值。

碳納米管是一種重要的新型碳材料，其大的長徑比和表面六邊形結(jié)構(gòu)及中空管道等獨(dú)特結(jié)構(gòu)，賦予其很大的比表面積，決定了其優(yōu)良的吸附能力。另外，碳納米管有力學(xué)性能高、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、反應(yīng)活性高等特點(diǎn)，在眾多吸附劑中具有優(yōu)越性，決定了其在氣體的捕集回收方面有很大優(yōu)勢。中空活性碳纖維是活性碳纖維的一種特殊形式，其內(nèi)外表面各有一層很薄的微孔層，且1nm以下的極微孔含量豐富，加上壁中亦有豐富的微孔，其內(nèi)外壁總比表面積比活性碳纖維大得多，因此容易吸附小分子物質(zhì)。但是，目前為止，中空活性碳纖維在氣體吸附方面的研究報(bào)道還極少。因此，開發(fā)一種微米級(jí)中空活性碳纖維和納米級(jí)碳納米管相結(jié)合的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)吸附材料，必將突破現(xiàn)有吸附材料的缺陷，為氣體吸附領(lǐng)域的發(fā)展和研究開拓新思路。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的多孔碳質(zhì)吸附材料的制備方法。首先使用中空纖維膜絲作模板，在內(nèi)外表面分別負(fù)載碳的前驅(qū)體。然后，利用高溫碳化過程將模板燒掉，得到以碳為主要成分的黑色碳纖維，經(jīng)過進(jìn)一步活化，制備得到中空結(jié)構(gòu)的活性碳纖維。最后，利用碳質(zhì)吸附材料的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和力學(xué)強(qiáng)度高等優(yōu)勢，采用化學(xué)氣相沉積法，在中空活性碳纖維上生長碳納米管，構(gòu)筑成具有高比表面積和豐富微孔的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的氣體吸附材料。

具體制備步驟如下：

(1)?以中空纖維膜絲作模板，利用表面活性劑進(jìn)行改性之后，浸漬在碳的前驅(qū)體溶液中，得到負(fù)載有碳的前驅(qū)體的中空纖維膜絲樣品；

(2)?將步驟(1)所得樣品首先在惰性氣體中碳化，碳化溫度為650~950℃，碳化時(shí)間為10-120分鐘，然后利用活性氣體進(jìn)行活化，活化溫度為600~950℃，活化時(shí)間為20-120分鐘，得到中空活性碳纖維；

(3)?將步驟(2)所得中空活性碳纖維浸漬在金屬溶液中，3~48小時(shí)后取出，干燥，得到內(nèi)外表面均負(fù)載有金屬催化劑的中空活性碳纖維樣品；利用化學(xué)氣相沉積法，在管式爐內(nèi)依次通過氫氣還原金屬和高溫通入碳源生長碳納米管，得到內(nèi)外表面均生長有碳納米管的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)樣品；其中：還原溫度為400~700℃，還原時(shí)間為30~120min，碳納米管生長溫度為500~900℃，時(shí)間為30~120min；

(4)?將步驟(3)得到的樣品利用稀酸清洗6~24小時(shí)，所用稀酸的摩爾濃度為3~5mol·L^-1，除掉殘留的金屬催化劑，得到具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的多孔碳質(zhì)吸附材料。

本發(fā)明中，步驟(1)所述的中空纖維膜絲為聚丙烯中空纖維膜絲、聚氯乙烯中空纖維膜絲、聚苯乙烯中空纖維膜絲、聚乙烯醇中空纖維膜絲、聚砜中空纖維膜絲、聚醚砜中空纖維膜絲、聚苯醚砜中空纖維膜絲、聚偏氟乙烯中空纖維膜絲、聚四氟乙烯中空纖維膜絲、聚酰亞胺中空纖維膜絲、醋酸纖維素中空纖維膜絲、氟碳類中空纖維膜絲等其中的任一種。優(yōu)選的，所述的中空纖維膜絲為聚丙烯中空纖維膜絲。