[發明專利]一種大比表面積、高孔體積硅藻土模板炭及其制備方法

有效

• 申請號: 201210486605.7
• 申請日: 2012-11-23
• 公開（公告）號: CN102963877A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: 劉冬;袁鵬;于文彬;袁巍巍;譚道永;何宏平
• 申請（專利權）人: 中國科學院廣州地球化學研究所
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02
• 代理公司: 廣州科粵專利商標代理有限公司 44001
• 代理人: 劉明星

技術領域：

本發明涉及一種硅藻土基多孔炭及其制備方法，具體涉及一種大比表面積、高孔體積硅藻土模板炭及其制備方法。

背景技術：

多孔炭具有豐富的孔道結構、大比表面積、耐酸堿性和熱穩定性高以及環境友好等特點，因此被廣泛應用于吸附、催化、負載等工業領域（沈曾民等，2008）。以天然和合成多孔材料作為模板，可制備出具有不同孔結構的模板多孔炭。其中，沸石模板炭以微孔（孔徑<2nm）結構為主（Kyotani等，2003），而MCM-41模板炭則主要含介孔（2nm≤孔徑≤50nm的孔）結構（Liang等，2008）。然而，上述模板炭多以單孔徑孔道結構為主，因此僅對小尺寸分子具有較好的吸附和負載性，從而限制了其在部分工業領域的應用。

而以硅藻土為模板制備的硅藻土基多孔炭則具有以大孔（孔徑>50nm）為主、含少量介孔和微孔的多級孔道結構，并具備良好地大分子吸附、負載能力，從而拓展了多孔炭在催化劑負載、大分子吸附等領域的應用。加之硅藻土（生物成因礦物集合體，主要成分為無定型二氧化硅，我國儲量約為4億噸）資源豐富易得、價格低廉（其價格遠低于合成的介孔/大孔模板），所制備的硅藻土模板炭具有成本較低等優勢，易于大規模的工業生產和應用。

Holmes等（2006）以硅藻土為模板、蔗糖為碳源，使用濃硫酸為催化劑，制備出具有介孔（孔徑：~4nm）和大孔（孔徑：~2.5μm）結構的多孔炭（比表面積最大為312m²/g）。劉貴陽等（2010）也使用硅藻土為模板制備了具有多級孔道結構的、比表面積和總孔體積分別為542m²/g和0.499cm³/g（微孔體積：0.137cm³/g）的碳材料。另外，中國發明專利《一種用硅藻土制備多孔炭和白炭黑的方法》（專利號：201010245769.1）涉及了一種以硅藻土為模板、表面固體酸位為催化劑的硅藻土模板炭的制備方法，所制備的多孔炭比表面積和總孔體積分別為426m²/g和0.470cm³/g。然而，上述方法所制備的硅藻土模板炭均存在以下問題：孔結構均以大孔為主、僅含少量介孔和微孔，比表面積和總孔體積較低（遠低于商業活性炭：通常比表面>800m²/g，孔體積>0.50cm³/g）等，致使該碳材料對氣、液小分子的吸附能力較差，難以實現直接工業應用。因此，以上制備方法制備的硅藻土基多孔炭難以推廣應用。

發明內容：

本發明的目的是克服現有技術所制備硅藻土基多孔炭的上述不足，提供一種大比表面積、高孔體積硅藻土模板炭及其制備方法。本發明的主要優勢在于通過水蒸氣或二氧化碳對中間產物—硅藻土-多孔炭復合體進行活化處理，不僅可有效提高多孔炭的比表面積和孔體積，所得多孔炭還可以在硅藻土模板的保護下避免其管狀結構的破裂，保存其形貌的完整。另外，使用該活化法還可避免其它活化法（如使用ZnCl₂、KOH作為活化劑）所制備的多孔炭雜質含量過高等問題。因此，本發明的制備方法具有簡單易行、成本低廉、潛在環境危害較低等優點。

本發明的大比表面積、高孔體積硅藻土模板炭是通過以下方法制備的，該方法包括以下步驟：

將硅藻土碳化得到未去除模板的硅藻土-炭復合體，然后將未去除模板的硅藻土-炭復合體于水蒸氣或二氧化碳的氣氛下，升溫至700~900℃，充分煅燒1~3個小時后粉碎得活化后的固體，活化后的固體再去除模板，洗滌干燥后得大比表面積、高孔體積硅藻土模板炭。

所述的將硅藻土碳化得到未去除模板的硅藻土-炭復合體可以采用常規的方法將硅藻土碳化得到未去除模板的硅藻土-炭復合體，優選為將硅藻土粉末加入到碳源中形成懸濁液，硅藻土的加入量以硅藻土質量/碳源液體體積計為1g/10ml~1g/5ml；并加入草酸作為催化劑，將該懸濁液充分攪拌后加熱至95~180℃，保持1~2小時，所得產物置于氮氣氣氛下，升溫至700~900℃，煅燒3小時，得到未去除模板的硅藻土-炭復合體。

所述的碳源包括糠醇、蔗糖、糠醛樹脂、乙二醇等。