[發明專利]一種超雙親性碳及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 202211255151.2
• 申請日: 2022-10-13
• 公開（公告）號: CN115557485A
• 公開（公告）日: 2023-01-03
• 發明（設計）人: 樊紅雷;劉洪亮
• 申請（專利權）人: 煙臺大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;B01J21/18;B01J21/02;B01J37/08;B01F23/50;C07C45/29;C07C45/86;C07C47/54;C09K23/00
• 代理公司: 煙臺雙聯專利事務所(普通合伙) 37225
• 代理人: 姜宏藝

本發明公開了一種超雙親性碳及其制備方法與應用。它的制備方法包括以下步驟：將木粉與含有四氟硼酸陰離子的離子液體混合，然后在惰性氣氛中進行熱解，即得到超雙親性碳。本發明所述的超雙親性碳應用于制備Pickering乳液或在Pickering乳液催化中。本發明制備的超雙親碳同時具有超親水性和超親油性，對于水與油如十二烷的接觸角均接近于0°。該超雙親碳能夠在油?水體系中形成Pickering乳液；并且能夠提高相關氧化反應的效率。本發明有助于實現油?水體系形成穩定的Pickering乳液，進一步提高乳液當中的催化反應效率。

技術領域

本發明涉及一種超雙親碳，并涉及超雙親碳的制備方法與應用，屬于碳材料改性和Pickering乳液催化領域。

背景技術

顆粒表面的浸潤性是固體材料的一種重要物理化學性質。當材料表面變為超親水或者超疏水時，它們可以被廣泛地應用到油水分離過程、自清潔玻璃以及紡織品等許多方面。進一步地，如果一種材料表面既能表現出超親水的性能又能表現出超親油的性能，我們將這種材料稱之為超雙親材料。

設計超浸潤表面來提高反應效率是催化化學關注的焦點之一。在液-液兩相催化中使用膠體粒子代替表面活性劑促進水油兩相體系形成的乳液稱為Pickering乳液。固體粒子表面的浸潤性對于Pickering乳液的形成和穩定性有著很大的影響。通常，親水性顆粒（如SiO₂）可以穩定水包油型乳液，而親油性顆粒（如炭黑）可用于穩定油包水型乳液，但是固體粒子同時能穩定油-水乳液和油-油乳液的并不多見。而超雙親材料同時具有超親水和超親油性，有望進一步提高Pickering乳液的穩定性，從而提高Pickering乳液中催化反應的效率。由于超雙親材料不易制備，因此它在Pickering乳液催化方面的應用少有報道。

由于親水性和親油性的化學基團不同，因此在同一材料表面實現超雙親性質是比較困難的。在固體粒子當中，碳材料由于高的化學和熱穩定性被廣泛地應用到許多領域。為了獲得超雙親的碳材料，現有技術涉及到將親水的氧化石墨烯溶液噴涂到疏水的硫氮共摻石墨烯形成氣凝膠（比如CN108439373A“一種雙親性Janus結構石墨烯基氣凝膠及其制備方法”）；或者將親水和疏水基團同時修飾到碳納米管或者聚合物上（比如CN107174972A“一種超雙親多孔膜材料及其制備方法和應用”；再比如CN104383899A“一種親水吸油棉”）；還有將石墨粉通過雙氧水氧化進一步通過電化學氧化來改善碳的親水性（比如CN101468796“量子化碳材料素材液的制備方法與產品及其制備設備”）。從現有制備超雙親碳的方法來看，有的方法工藝復雜，還有的方法需要采用高附加值的氧化石墨烯或者碳納米管作為原料。

本申請第一位發明人作為主要發明人的中國專利公開了“一種超雙親性碳及其制備方法與應用（CN112794303A）”。其將木粉與含有雙三氟甲磺酰亞胺陰離子的離子液體混合，然后在惰性氣氛中進行熱解，即得到摻雜氮的超雙親性碳。這種碳可以有效促進相關液-液催化反應。在材料的表面同時構建親水和親油的微區是制備超雙親材料的難點之一。對于疏水的碳材料往往需要多步改性增加碳表面的親水性并同時調整碳表面親水親油官能團的比例才能實現超雙親碳的制備。CN112794303A利用廉價的可再生原料，加上少量的離子液體通過一步熱解實現了氮元素摻雜的超雙親碳材料。但是陰離子為雙三氟甲磺酰亞胺的離子液體價格較高，雖然離子液體用量少，但是還需進一步探索其他的改性方法進一步降低制備成本。

另一方面，CN112794303A中制備的超雙親碳是通過離子液體與木粉一起熱解時產生了吡啶氮氧以此增加了碳材料表面的親水微疇，同時元素碳和少量的氟元素提供了親油的微疇，這樣就在碳材料中構建了超雙親性的表面。但是吡啶氮氧溶液吸水后，其在有氧條件下就會發生緩慢的分解。并且隨著溫度的升高吡啶氮氧的分解速率會增加，這種不穩定性就會造成原有的超雙親碳變成疏水的碳。因此，有必要進一步探索其他的方法尋找更加穩定的超雙親碳材料。

發明內容