[發明專利]軟模板法制備β-環糊精基摻硼介孔碳材料的方法

在審

• 申請號: 201610009440.2
• 申請日: 2016-01-08
• 公開（公告）號: CN105692583A
• 公開（公告）日: 2016-06-22
• 發明（設計）人: 辛旺;宋永會;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;B01J20/28;B01J20/30
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技術領域

本發明涉及一種以β-環糊精為基質材料合成介孔碳材料的方法。

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。

介孔碳材料的性質不僅取決于前驅體本身的性質及表面和孔道結構，雜原子的摻雜也將影響介孔碳材料的性能。例如，氧原子的摻雜可以提高材料表面的親水性能，提供催化和選擇性吸附的催化位點；氮原子的摻雜可以提供材料表面的堿性基團、提高催化活性及陰離子交換能力；硼原子的摻雜可以提高材料的氧原子含量，提高材料的催化及電儲能性能。因此，介孔碳材料的雜化過程不僅需要引入大量的雜原子功能基團，還需要準備調整雜原子功能基團的種類及密度以適應特殊的材料應用。

β-環糊精作為一種常見的碳水化合物，由于其獨特的雙親性及包埋能力，已廣泛用于制藥、化工、材料、環保等領域，另外其表面富含的大量羥基成為化學改性及負載的絕佳切入點。在吸附材料的制備方面，以往β-環糊精主要利用其羥基基團進行化學改性或接枝共聚反應，以提高其吸附性能，主要是增強其化學吸附能力，但這種改性的效率往往不高，且吸附的對象有限；另外在介孔碳材料合成方面，利用β-環糊精及其衍生物為基質材料也有相關的報道，但一般都是采用硬模板法來合成介孔碳材料，這是一種需要預制模板，碳化后還需要酸洗脫除模板的方法，工藝復雜且成本較高，不具備大規模工業化生產的條件。

發明內容

有鑒于此，為彌補傳統活性炭材料吸附能力的不足，避免活化劑的使用，采用模板法合成的介孔碳材料無疑是傳統碳吸附材料最有效的替代品。因此有必要開發一種工藝簡單、能夠合成出具有豐富介孔結構和廣譜吸附能力的介孔碳材料的方法。

本發明公開了一種以β-環糊精作為碳源前軀體、硼酸作為催化劑、三嵌段共聚物為模板劑的合成摻雜硼原子的介孔碳材料的軟模板合成方法。該種方法主要包括下列幾個步驟：

(1)三嵌段共聚物的溶解，在其中加入水，攪拌直至其完全溶解，得到無色透明溶液；

(2)將硼酸和β-環糊精加入到步驟(1)所得到的的溶液當中，攪拌以形成乳白色混合液，完成硼酸催化β-環糊精網狀絡合物的生成及絡合物與三嵌段共聚物的分子自組裝過程；

(3)將步驟(2)得到的乳白色混合液倒入水熱反應釜加熱，生成白色粘稠狀混合物；

(4)將步驟(3)得到的白色粘稠狀混合物置于烘干裝置內，在60℃條件下烘干，得到白色固體；

(5)將步驟(4)得到的白色固體碳化，經冷卻后得到摻雜硼原子的介孔碳材料；

在步驟(1)中，三嵌段共聚物與水的重量份比例可以為：1-3∶25-35。

在步驟(2)中，硼酸與β-環糊精的重量份比例可以為：1.9∶3。

在步驟(3)中，加熱條件可以為在80℃-120℃下加熱24h-36h。

在步驟(5)中，碳化條件可以為，在氮氣的保護下，以1℃/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1h-3h。

進一步地，將步驟(5)得到的摻雜硼原子介孔碳材料按照1重量份的硼酸，浸泡于30重量份的10wt％的溶液中，24h后過濾，用大量水沖洗，直至上清液pH不再變化為止，將所得材料置于烘干裝置內105℃下烘干12h后即可得到分層孔道結構的介孔碳材料。

具體地，碳源前軀體為β-環糊精或者其衍生物，三嵌段共聚物為P123、F127、F108或它們的混合物，進一步合成分層孔道結構的介孔碳材料過程中的浸泡溶液為氫氟酸溶液。