一种多级孔糖基碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种多级孔糖基碳材料及其制备方法和应用，其制备过程将软模板法合成多孔碳与溶胶凝胶过程相结合，具体包括以下步骤：将模板剂溶于溶剂，搅拌条件下添加糖基碳源、含硅化合物，使混合物成溶胶状态，水热处理后成凝胶状态，经干燥、碳化和后处理，得到多级孔碳材料。本发明专利技术分别采用糖类物质和季铵盐作为碳源和模板剂，糖类具有来源广，价格低廉，环境友好等优点。本发明专利技术旨在解决现有传统方法制备多级孔碳材料时合成步骤繁琐、原料毒性较大，比表面积和孔容较小及孔径分布不均一的问题。该材料结合了微孔利于吸附和介孔利于扩散的优点，对二氧化碳有较好的吸附性能，在电化学及催化等领域同样具有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及多级孔碳材料制备的
，具体涉及一种多级孔糖基碳材料的制备方法及该材料在二氧化碳吸附中的应用。
技术介绍
近年来，多孔碳材料由于具有较大比表面积、丰富孔结构、良好的热稳定性和优异的化学惰性等特点引起了科学家的关注，并已广泛应用于催化、吸附，储氢和色谱分离等领域。但随着研究的深入，科学家发现微孔在提供吸附位的同时，也增加了分子的扩散阻力，从而阻碍分子的扩散；介孔减少了扩散阻力，但不能提供更多的吸附位。因此，具有单一孔道结构的多孔碳材料已不能满足更多领域上的一些应用，多级微介孔碳材料的制备与研究被迫切需要。目前，合成微介孔碳材料的最常用的方法主要有两步：(1)合成介孔碳材料(硬模板法或软模板法)(2)对介孔碳材料进行活化处理(物理或化学活化)。如(Mitome,T.etal.,AdsorptionofindoleonKOH-activatedmesoporouscarbon.ColloidsandSurfacesA:PhysicochemicalandEngineeringAspects,2013(424):89-95.)中所示。其中采用硬模板法合成介孔碳的过程：(a)合成介孔硬模板，如介孔二氧化硅(b)将碳源前驱体灌注到硬模板的孔道中(c)碳化形成复合材料(d)去除硬模板得到介孔碳材料。这种方法程序繁琐、成本较高，难以实现多级孔碳材料的规模化合成。软模板法是一种前驱体与模板剂反应，经过聚合、碳化而自组装合成多级孔碳的方法。通常是利用溶剂挥发诱导自组装(EISA)合成多级孔碳材料。该方法过程简单、可重复性好；然而该方法需要大量的溶剂，既污染环境又浪费原料。随后，对介孔碳进行活化处理，都是通过在高温下热解和物理或化学活化有机前驱体(植物、煤、动物骨、坚果壳或聚合物)来合成的。其中，物理活化主要过程为，介孔碳在惰性气体氛围下升温至活化温度，然后换至活化气体(CO2、H2O等)进行活化，然后在惰性气体下降温。化学活化则是将介孔碳与活化组分(KOH、H3PO4等)进行研磨混合或与含活化组分的溶液浸渍处理，在惰性气体下进行活化。采用两种活化方法处理后的介孔碳均含有丰富微孔，但这类碳材料一般孔径分布范围较宽，孔道分布不均一，材料的性质有所改变。物理活化所需温度高持续时间长且产率较低，化学活化尽管所需温度适中，持续时间较短，但活化后需进行洗涤去除活性组分，过程中容易引入杂质并造成损失，并且活化的过程中会对仪器造成一些损坏。如(B.H.Hameedetal.Adsorptionofmethyleneblueontobamboo-basedactivatedcarbon:Kineticsandequilibriumstudies.JournalofHazardousMaterials,2007.141(3):819-825.)等人使用竹子作为碳源，采用氢氧化剂和二氧化碳混合活化方式，得到的多级孔碳比表面积高达1896m2/g，孔容达到1.109cm3/g，平均孔径为2.34nm。然而该方法所用的活化组分对管路会造成腐蚀，对仪器的质量要求较高，不利于大规模生产和长远发展。研究发现在利用软模板法合成介孔碳的过程中加入正硅酸乙酯(TEOS)，经过聚合、碳化和去除二氧化硅后，同样可得微介孔碳材料。如(Enterría,M.,etal.,One-potendo/exotemplatingofhierarchicalmicro-mesoporouscarbons.Carbon,2013.54:365-377.)等人通过将生物质衍生物和糠醇作为碳源，P123作为模板剂并在过程中加入TEOS，制备出微介孔碳。尽管制备方法较为简便，但碳材料的比表面积基本都小于1000m2/g，孔容基本都小于1.0cm3/g且孔径分布不均一，以上这些性质限制了材料的应用，尤其是对于吸附过程。由此可见，要得到具有高比表面积，大孔容和均一分布孔径的微介孔碳材料，在合成方法上还需进一步改进。目前对于一步法合成出微介孔碳材料的深入研究还较少，大多数都将嵌段共聚物作为模板剂且所使用碳源多为毒性较大的酚醛树脂等物质，合成出的材料存在比表面积和孔容较低，孔径分布不均一等问题，这些都限制了其大规模的生产和应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种多级孔糖基碳材料及其制备方法和应用，以解决现有传统路径制备多级孔碳材料时合成步骤繁琐、原料毒性大、比表面积和孔容较小及孔径分布不均等问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种多级孔糖基碳材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一，溶胶过程：将模板剂与乙醇按照0.5～1.5：30～40的质量比混合，在机械搅拌条件下得到澄清透明溶液A；将碳源以6～7：15～20的质量比溶解于浓度为0.1～2M盐酸溶液后，得混合溶液B；将混合溶液B以0.5～5滴/秒的速度加入溶液A中，继续搅拌30～60min后，得到溶液C；将含硅化合物与乙醇按照9～13：30～40的质量比以0.1～5滴/秒的速度加入到溶液C中，室温下机械搅拌得到溶胶；步骤二，凝胶过程：将步骤一所得的溶胶转入反应釜，于温度90～170℃下保持24～36h，然后冷却至室温，得凝胶状物并将该凝胶状物置于烘箱中干燥，得到固体颗粒；步骤三，碳化后处理过程：将步骤二所得固体颗粒放入管式炉中，在N2氛围中进行碳化；将碳化后产物以1～4：60～70的质量比置于摩尔浓度为1～4M的NaOH溶液中，搅拌6～12h，置于70～90℃水热釜中处理10～24h；然后用蒸馏水洗涤固体颗粒至pH为中性，进行过滤分离干燥，最终产物即为多级孔碳材料。作为优选，步骤一中，所述的模板剂为季铵盐。作为优选，步骤一中，所述的碳源为葡萄糖、果糖、蔗糖或乳糖的一种。作为优选，步骤一中，所述的含硅化合物为正硅酸四乙酯、硅溶胶、硅酸钠或白炭黑的一种。作为优选，步骤三中，所述的条件的步骤为：在500～1000℃温度下保持2～8h。一种由上述的方法制备的多级孔糖基碳材料。所述多级孔碳材料的比表面积为1300～1800m2/g，孔容为1.0～1.4cm3/g，微孔孔径为1.0～1.9nm，介孔孔径为3.0～4.5nm。上述的方法制备的多级孔糖基碳材料在二氧化碳吸附中的应用。进行二氧化碳吸附前，需对多级孔糖基碳材料进行预处理，预处理步骤为：在温度180～250℃下抽真空，预处理时间为8～20h。所述二氧化碳吸附的条件为：40～60目的多级孔糖基碳材料的装填量为0.05～1.5g，吸附温度为0～50℃，吸附压力为0～2bar。有益效果：本专利技术采用软模板法与溶胶凝胶过程相结合的方法一步合成多级孔碳材料，具有步骤简单易操作，重复性好等特点。过程中采用糖类物质葡萄糖为碳源，具有来源广、价格低廉、环境友好等特点；且分别利用双十八烷基二甲基氯化铵及十六烷基三甲基溴化铵为模板剂，两种季铵盐模板剂和碳源、硅源等有很好的协同导向作用，所得多级孔碳材料具有相对均一的微介孔分布(1.0～1.9nm，3.0～4.5nm)，高的比表面积(1300～1800m2/g)和大的孔容(1.0～1.4cm3/g)，对二氧化碳具有良好的吸附性能。附图说明图1为实施例1制备的产品的X射线衍射图；图2a和图2b分别为实施例1制备的产本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多级孔糖基碳材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，溶胶过程：将模板剂与乙醇按照0.5～1.5：30～40的质量比混合，在机械搅拌条件下得到澄清透明溶液A；将碳源以6～7：15～20的质量比溶解于浓度为0.1～2M盐酸溶液后，得混合溶液B；将混合溶液B以0.5～5滴/秒的速度加入溶液A中，继续搅拌30～60min后，得到溶液C；将含硅化合物与乙醇按照9～13：30～40的质量比以0.1～5滴/秒的速度加入到溶液C中，室温下机械搅拌得到溶胶；步骤二，凝胶过程：将步骤一所得的溶胶转入反应釜，于温度90～170℃下保持24～36h，然后冷却至室温，得凝胶状物并将该凝胶状物置于烘箱中干燥，得到固体颗粒；步骤三，碳化后处理过程：将步骤二所得固体颗粒放入管式炉中，在N2氛围中进行碳化；将碳化后产物以1～4：60～70的质量比置于摩尔浓度为1～4M的NaOH溶液中，搅拌6～12h，置于70～90℃水热釜中处理10～24h；然后用蒸馏水洗涤固体颗粒至pH为中性，进行过滤分离干燥，最终产物即为多级孔碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种多级孔糖基碳材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，溶胶过程：将模板剂与乙醇按照0.5～1.5：30～40的质量比混合，在机械搅拌条件下得到澄清透明溶液A；将碳源以6～7：15～20的质量比溶解于浓度为0.1～2M盐酸溶液后，得混合溶液B；将混合溶液B以0.5～5滴/秒的速度加入溶液A中，继续搅拌30～60min后，得到溶液C；将含硅化合物与乙醇按照9～13：30～40的质量比以0.1～5滴/秒的速度加入到溶液C中，室温下机械搅拌得到溶胶；步骤二，凝胶过程：将步骤一所得的溶胶转入反应釜，于温度90～170℃下保持24～36h，然后冷却至室温，得凝胶状物并将该凝胶状物置于烘箱中干燥，得到固体颗粒；步骤三，碳化后处理过程：将步骤二所得固体颗粒放入管式炉中，在N2氛围中进行碳化；将碳化后产物以1～4：60～70的质量比置于摩尔浓度为1～4M的NaOH溶液中，搅拌6～12h，置于70～90℃水热釜中处理10～24h；然后用蒸馏水洗涤固体颗粒至pH为中性，进行过滤分离干燥，最终产物即为多级孔碳材料。2.根据权利要求1所述的多级孔糖基碳材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述的模板剂为季铵盐。3.根据权利要求1所述的多级孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏瑞平，梁婷，肖国民，沈鹏欣，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32