[發明專利]免表面活性劑輔助糖類合成介孔碳材料的方法

在審

• 申請號: 201610009436.6
• 申請日: 2016-01-08
• 公開（公告）號: CN105692582A
• 公開（公告）日: 2016-06-22
• 發明（設計）人: 宋永會;辛旺;彭劍峰;劉瑞霞
• 申請（專利權）人: 中國環境科學研究院
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B01J20/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種不使用表面活性劑輔助糖類合成介孔碳材料的技術，具體涉及一種介孔碳材料的合成方法。

背景技術

隨著我國社會經濟的蓬勃發展，工業產業發展迅速，包括石化、印染、制藥等企業排放的各類污染物通常難以被傳統生物法處理，會穿透市政污水處理設施，通過管網排入河流，對水體造成嚴重污染，危害人及生物鏈條的生長健康。通常一些企業為有效防范和降低此類污染物的排放，一般會在污染物排放源頭做二次深度處理，通過一些物化強化手段來去除這部分污染物，例如活性炭吸附技術。而傳統的活性炭材料由于生產工藝和材料本身性質的局限性造成其吸附能力有限，往往很快會被吸附飽和，尤其在應急處置中更需要具有吸附能力強，吸附速率快的吸附材料，另外高品質的活性炭一般需要大量的活化劑，一方面增加了活性炭的生產成本，另一方面延長了生產工藝也極易造成設備的腐蝕及二次污染。因此，探索新的碳基材料合成路徑，避免活化劑的使用是新型活性炭材料的重要發展方向。

蔗糖作為一種常見的碳水化合物，具有來源廣泛、價廉、良好的水溶性等特點，是食品行業重要的添加劑。濃酸對蔗糖溶液的分解作用很大，如濃硫酸可以使固體蔗糖迅速脫水，焦化成黑色產物，在蔗糖溶液中，只要有少量的游離酸存在，就能迅速的加快蔗糖的轉化；在介孔碳材料合成方面，碳水化合物由于其價格便宜、來源廣泛，常被當做重要的碳源前軀體應用到硬模板法的合成當中，其中利用蔗糖作為碳源前軀體，濃硫酸作為催化劑，有序介孔硅材料SBA-15或MCM-48作為模板通過多次納米鑄造的方法合成介孔碳是最為典型的方式，而SBA-15和MCM-48通常需要三嵌段共聚物和硅源(例如F127和TEOS)來合成，此種合成路徑工藝復雜且成本較高，只限于實驗室規模；隨著研究的深入，研究人員慢慢發現了一步合成蔗糖基介孔碳材料的方法，就是將F127，TEOS，蔗糖，硫酸等同時添加到溶液當中，F127和TEOS水解的硅球構成模板骨架，蔗糖經過催化聚合后與模板骨架形成碳硅復合物，省去了預制模板SBA-15等步驟，簡化了合成工藝，然而模板劑F127的添加在很大程度上還是加重了生產成本；另外特殊形貌的介孔碳材料具有重要的工業價值，塊狀介孔碳材料由于較低的水阻壓、高效的熱交換和物質轉移能力，相比于粉末狀介孔碳材料在吸附分離、催化、能量貯存與轉化方面更具有優勢，不同的孔道結構具備不同的吸附功能，介孔適合于液相條件下的吸附，而微孔更適合于氣相條件下的吸附。

發明內容

有鑒于此，本發明在傳統的合成方法的基礎上省去了模板劑(也即表面活性劑)的添加，只需要提供必要的硅源和碳源前軀體即可，大大縮減了合成的藥劑成本，也簡化了合成工藝。通過控制水熱時間可以實現塊狀和顆粒狀介孔碳材料的合成，控制催化劑的投加量實現了孔徑由微孔到介孔的轉換，因此，此方法合成出的材料不僅可適用于液相的吸附，也可用于氣相的吸附。本發明的目的是提供一種節能環保，安全可靠地將糖類轉化為介孔碳材料，所制備的介孔碳材料微孔和介孔豐富，形貌可調，吸附能力強，因此不僅可用于液相吸附，也可用于氣相吸附。

本發明公開了一種以糖類作為碳源前軀體、硫酸作為催化劑、TEOS(正硅酸乙酯)作為共前軀體的免表面活性劑輔助糖類合成介孔碳材料的方法。該種方法涉及下列幾個步驟；

(1)按照重量份比例將25重量份的水，11.5-23.5重量份的乙醇，6.5-12.8重量份的正硅酸乙酯(TEOS)，0.32-0.6重量份的2M鹽酸，依次加入到攪拌器中攪拌，得到無色透明的溶液；

(2)按照重量份比例將5重量份的蔗糖，0.25-3重量份的濃硫酸加入到步驟(1)得到的無色透明溶液中，攪拌后將混合液倒入反應釜加熱，取出放入烘干裝置內進行干燥處理，得到黑色固體；

(3)將步驟(2)得到的黑色固體放入碳化爐中碳化，冷卻后得到黑色固體；

(4)將步驟(3)得到的黑色固體按照重量份比例將1重量份的TEOS投加到12重量份的10％wt的HF酸溶液當中，浸泡、過濾用水沖洗，直至上清液pH不再變化，干燥后篩分，得到蔗糖基介孔碳材料。

碳化的具體過程可以為，由室溫按照5℃/min的升溫速率升至指定溫度，碳化溫度控制在500℃-900℃，碳化時間控制在3h-5h。

在本發明的方法中，所使用的原料重量份比例可以為0.25重量份濃硫酸，5重量份蔗糖，25重量份水，23.5重量份乙醇，12.8重量份正硅酸乙酯(TEOS)，0.6重量份2M鹽酸。從而，可得到微孔碳材料，適用于氣體吸附