[發明專利]氨基雜化聚倍半硅烷氣凝膠材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201710303892.6
• 申請日: 2017-05-03
• 公開（公告）號: CN107199023A
• 公開（公告）日: 2017-09-26
• 發明（設計）人: 孔勇;張嘉月;沈曉冬;崔升
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: B01J20/26
• 分類號: B01J20/26;B01J20/28;B01J20/30;B01D53/02
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司32218
• 代理人: 徐冬濤,袁正英

技術領域

本發明屬于新材料的制備領域，尤其涉及一種新型氨基雜化聚倍半硅烷氣凝膠材料及其制備方法。

背景技術

二氧化碳是一種導致全球變暖的主要溫室氣體，CO₂捕集是減少溫室氣體排放的有效途徑劑，而且有利于潔凈綠色的工業生產，還可以用于宇宙飛船、空間站等密閉設備的生命維持系統。低成本、高性能CO₂吸附劑的開發具有十分重要的意義和廣泛的應用。作為一種納米多孔材料，氣凝膠具有連續3維納米多孔網絡結構，賦予其低密度、高比表面積、大孔隙率等特性，是一種性能優異的CO₂吸附劑候選材料。固體CO₂吸附劑的CO₂吸附主要依靠表面的氨基基團與CO₂之間的化學反應，因此氣凝膠材料用于CO₂吸附需要進行表面氨基改性，否則其吸附量和選擇性極低[Energy&Environmental Science，2011，4：2070–2074]。氣凝膠表面氨基改性一般采用浸漬法通過以下兩種途徑實現：一是將制備好的濕凝膠浸漬于含氨基的前驅體(如硅烷偶聯劑KH550)的乙醇溶液中進行表面氨基改性，而后濕凝膠干燥得到氨基改性氧化硅氣凝膠[Energy&Environmental Science，2011，4：2070–2074]；一是將制備好的氣凝膠浸漬在含氨基原料(如聚乙烯亞胺PEI)的乙醇溶液中進行表面氨基負載，而后干燥得到氨基功能化氣凝膠[Microporous andMesoporous Materials 2013，176：123–131]。由于濕凝膠表面可供反應的活性點有限，第一種途徑制備的氨基改性氣凝膠材料的表面氨基含量較低；由于溶劑對氣凝膠網絡結構的破壞，第二種途徑制備的氨基功能化氣凝膠的孔結構較差。原位氨基改性是解決上述問題的有效途徑，即采用含氨基的前驅體作為反應物直接合成氨基雜化氣凝膠：一方面含氨基前驅體直接參與形成氣凝膠網絡結構的溶膠-凝膠反應，大大提高了氨基含量；另一方面采用原位氨基改性可以避免后改性對凝膠或氣凝膠網絡結構的破壞，提高其比表面積和孔體積。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有的問題，本發明采用原位氨基改性方案，提供了一種氨基雜化聚倍半硅烷氣凝膠材料，本發明的另一目的是提供上述氨基雜化聚倍半硅烷氣凝膠材料的制備方法，該氨基雜化聚倍半硅烷氣凝膠具有良好的CO₂吸附性能。

本發明的技術方案為：一種氨基雜化聚倍半硅烷氣凝膠材料，其特征在于其形態為白色不透明塊狀材料，晶體結構為無定形態，組成為氧化硅骨架和表面氨基基團，表面氨基基團含量4.5～13.2mmol/g，表觀密度0.08～0.15g/cm³，真密度2.01～2.12g/cm³，孔隙率93～96％，孔徑分布在2～200nm，BET比表面積在48～152m²/g，孔體積0.82～1.52cm³/g，CO₂氣體吸附量1.5～3.5mmol/g(25℃，常壓，1％CO₂+99％N₂)。

本發明還提供了上述氨基雜化聚倍半硅烷氣凝膠材料的制備方法，其具體步驟如下：

(1)-10～10℃下將有機硅醇鹽、醇、去離子水、鹽酸的混合液攪拌10～60分鐘后加入硅烷偶聯劑，繼續攪拌1～10分鐘得到溶膠，其中原料的摩爾比為有機硅醇鹽：硅烷偶聯劑：醇：去離子水：鹽酸＝1：1～5：3.4～20：8～15：0.002～0.01；

(2)將步驟(1)中得到的溶膠置于0～30℃下進行凝膠反應10～60分鐘得到濕凝膠；

(3)將步驟(2)中得到的濕凝膠在30～50℃下老化6～24小時，老化后的濕凝膠用有機溶劑進行溶劑置換后進行CO₂超臨界干燥，得到氨基雜化聚倍半硅烷氣凝膠。

優選步驟(1)中所述的有機硅醇鹽為正硅酸四甲酯或正硅酸四乙酯中的一種。

優選步驟(1)中所述的醇為甲醇或乙醇中的一種。

優選步驟(1)中所述的硅烷偶聯劑為N-氨乙基-γ-氨丙基三甲氧基硅烷或N-氨乙基-γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的一種。

優選步驟(3)中所述的有機溶劑為甲醇、乙醇、異丙醇或丙酮中的一種。

優選步驟(3)中溶劑置換的次數為4～6次，每次置換間隔的時間為12～36小時。