一种高性能吸附材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高性能吸附材料及其制备方法；本发明专利技术采用聚酰亚胺为碳氮源，聚氨酯泡沫为大孔支架，金属镁盐为添加剂，通过高温热处理碳化法制备多级孔氮掺杂碳/MgO复合微球材料。本发明专利技术避免了使用价格昂贵的模板剂以及有毒的原料试剂等，所制备的复合微球材料具有理想的花状球形形貌、微孔‑大孔的多级孔结构，可控的表面特性以及优异的结构稳定性，高的氮含量和镁含量，用作CO2吸附材料时表现出高的吸附量和优异的循环稳定性能。本发明专利技术制备方法简单易行，工艺可控，反应时间短，且不需要使用复杂的实验设备和繁琐的实验步骤，易于进行工业化大规模生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及新材料
，具体是一种高性能吸附材料及其制备方法。
技术介绍
目前全世界的能源系统和基础设施主要依赖于化石燃料的使用，这些化石燃料的燃烧伴随着大量人为排放的CO2气体，这些超越自然的碳循环对环境造成了严重危害，随之而来的全球气候变暖、两极冰川融化、海平面上升等生态问题日益显现，现已严重威胁到人类社会的生存与发展。人为地捕集CO2气体并加以储存和利用，是大规模减少温室气体排放、减缓全球气候变暖最经济、可行的方法。吸附法具有操作条件温和、能耗低、性能稳定、再生性强等优点，是最有发展前景的CO2气体吸附分离技术之一。研发具有高吸附容量、高选择性和良好循环性能的CO2吸附剂是吸附法的关键。目前，CO2吸附剂主要包括硅胶、分子筛、固体氨基吸附剂，金属有机骨架材料(MOF)和多孔碳材料等。其中，前几种CO2吸附材料均具有其局限性。例如，硅胶不能在较高温度下作为CO2吸附剂；分子筛孔径极小，吸水性过强，不适宜在含水环境中使用；固体氨基吸附剂能够与CO2分子形成稳定的作用力，但是吸附剂再生困难；MOF虽可以作为CO2吸附剂使用，但是其制备成本高且对潮湿的环境敏感，限制了其实际应用。相比之下，多孔碳材料是目前最有应用前景的CO2吸附材料之一。多孔碳材料具有比表面积高、孔隙发达、表面化学惰性、化学和热稳定性好等优点，应用于CO2吸附分离方面具有独特的优势。CO2的分子动态直径尺寸为0.33nm，多孔碳结构中丰富的微孔可以增强其对CO2分子的亲和力。此外，多孔碳材料易于进行表面改性，可采用原位掺杂或二次掺杂的方法引入氮元素或碱性金属氧化物(如MgO、CaO等)，利用碱性含氮官能团或金属氧化物与CO2分子之间的相互作用提高吸附剂对CO2的吸附性能。目前，碳基CO2吸附材料主要有活性炭、介孔碳、碳纳米管、石墨烯和多级孔碳等。多级孔碳是具有大孔(d>50nm)、介孔(2nm<d<50nm)和微孔(d<2nm)中两种或两种以上孔结构的一种新型碳材料。构筑多级孔结构的碳材料也是提高碳吸附剂CO2吸附能力和选择性的一种有效途径。其中微孔可以增加比表面积，增强碳表面和CO2气体分子之间的相互作用，介孔或大孔可以作为“桥梁”及“隧道”减少质量传递阻力，促进CO2分子在吸附剂体相中的内扩散和质量传递过程。多级孔碳材料将孔道结构的多级化设计和多孔碳材料自身的优异特性结合在一起，满足CO2高效吸附剂的要求，对CO2的吸附量大、选择性好、结构稳定、且再生容易。综上所述，氮元素或碱性金属氧化物(如MgO、CaO等)掺杂改性的多孔碳材料或多级孔碳材料在CO2吸附领域具有广泛的应用前景，但对于该方面的研究仍旧存在着如下问题：(1)目前氮掺杂碳材料的制备通常采用昂贵的原材料试剂，以及有毒的氮源，如吡咯、NH3或HCN等，普遍存在生产成本高、安全性差、环境污染等方面的问题；(2)制备氮掺杂多孔碳材料的步骤较繁琐，时间比较长，往往需要几十个小时，不利于工业化生产；(3)目前氮掺杂碳材料的研究大部分集中于对氮掺杂活性炭或氮掺杂介孔碳材料的研究，对于氮掺杂多级孔碳材料的研究很少见；(4)虽然对于氮掺杂碳材料以及多级孔碳材料有所研究，但是将氮掺杂改性与孔道结构优化结合起来设计高性能CO2吸附材料的研究鲜为报道；(5)所研究的CO2吸附用氮掺杂碳材料，大部分为粉末状或块状形貌，对于花状多级孔碳球用作CO2吸附材料目前还没有文献及相关专利报道；(6)用作CO2吸附材料的氮掺杂碳材料的氮含量通常比较低，为了充分发挥氮掺杂的优势，需要进一步提高氮含量；(7)对于碱性金属氧化物(如MgO、CaO等)掺杂改性的多孔碳材料研究较少，将氮掺杂、碱性氧化物掺杂、多级孔结构设计、材料形貌控制等结合起来，设计合成高性能CO2吸附材料的研究目前还没有相关文献及专利进行报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有技术中，CO2吸附用氮掺杂碳材料所存在的制备步骤繁琐费时，采用的模板剂价格昂贵、原材料试剂毒性大、所得产物的氮含量低和形貌不可控等问题；提供了一种高性能吸附材料及其制备方法。采用聚酰亚胺为碳氮源，聚氨酯泡沫为大孔支架，金属镁盐为添加剂，通过高温热处理碳化法制备多级孔氮掺杂碳/MgO复合微球材料。为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，一种高性能吸附材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)聚酰胺酸溶液的制备1.1)使用乙醇对4,4′-二氨基二苯醚进行重结晶处理，密封保存；使用乙酸酐对均苯四羧酸二酐进行重结晶处理，密封保存；1.2)采用减压蒸馏法去除极性溶剂中的水，将重蒸后的极性溶剂置于干燥器中保存；1.3)在室温和氮气气氛环境下，将步骤1.1)中得到的重结晶后的4,4′-二氨基二苯醚和均苯四羧酸二酐加入到步骤1.2)中得到的重蒸后的极性溶剂中，搅拌后进行缩聚反应，配制成固含量为5～15wt％的聚酰胺酸溶液；所述4,4′-二氨基二苯醚和均苯四羧酸二酐的摩尔比为1:1；2)多级孔氮掺杂碳/MgO复合微球材料的制备2.1)将镁盐加入到步骤1.3)中得到的聚酰胺酸溶液中，搅拌，得到混合均匀的混合物A；所述镁盐的添加量为1～20wt％；2.2)将步骤2.1)中得到的混合物A涂覆到大孔支架上，真空浸渍、干燥；2.3)在惰性气体气氛下，将步骤2.2)中得到的涂覆有混合物A的大孔支架进行高温热处理；所述高温热处理过程包括：在100℃条件下加热0.5～3h，在200℃条件下加热0.5～3h，在300℃条件下加热0.5～3h；2.4)将步骤2.3)中高温热处理后得到的产物冷却至室温后，得到具有花状形貌的多级孔氮掺杂碳/MgO复合微球材料。进一步，所述步骤1.2)中的极性溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基乙酰胺或N,N-二甲基甲酰胺。进一步，所述步骤1.3)中的搅拌时间为4～12h，搅拌速率范围为150～700转/分；所述步骤2.1)中的搅拌时间为1～12h，搅拌速率范围为150～700转/分。进一步，所述步骤2.1)中的镁盐为硝酸镁或氯化镁。进一步，所述步骤2.2)中的大孔支架为聚氨酯泡沫。进一步，所述步骤2.2)中的真空浸渍、干燥过程为：在室温条件下真空浸渍5～20h，在50～90℃条件下真空干燥5～24h。一种通过权利要求1～6任一项所述的高性能吸附材料的制备方法所获得的复合材料为多级孔氮掺杂碳/MgO复合微球材料。本专利技术的技术效果是毋庸置疑的，本专利技术具有以下优点：1)本专利技术以聚酰亚胺作为碳氮源，通过高温热处理碳化法将其转化为碳氮材料，其中，聚酰亚胺的酰亚胺链段上存在大量的氮原子，高温裂解后可以产生高氮含量的氮掺杂碳材料。这种原位掺杂法不仅步骤简单，省去了后处理步骤，而且可以实现氮元素在碳基体中的均匀掺杂，氮原子可以进入到晶格内部，从而改变碳材料本体结构和性质。2)本专利技术所选用的原料均为廉价易得的化工原料，并选用商品化的聚氨酯泡沫(海绵)为大孔支架，避免采用有毒的原材料试剂和价格昂贵的模板剂等，具有工艺成本低、无环境污染等优点。3)本专利技术所得多级孔氮掺杂碳微球材料具有理想的花状球形形貌、微孔-大孔的多级孔结构，可控的表面特性以及优异的结构稳定性，高的氮含量和镁含量、可作为高性能CO2吸附材料。4)本专利技术制备的碳氮微球材料具有微本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能吸附材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)聚酰胺酸溶液的制备1.1)使用乙醇对4,4′‑二氨基二苯醚进行重结晶处理，密封保存；使用乙酸酐对均苯四羧酸二酐进行重结晶处理，密封保存；1.2)采用减压蒸馏法去除极性溶剂中的水，将重蒸后的极性溶剂置于干燥器中保存；1.3)在室温和氮气气氛环境下，将步骤1.1)中得到的重结晶后的4,4′‑二氨基二苯醚和均苯四羧酸二酐加入到步骤1.2)中得到的重蒸后的极性溶剂中，搅拌后进行缩聚反应，配制成固含量为5～15wt％的聚酰胺酸溶液；所述4,4′‑二氨基二苯醚和均苯四羧酸二酐的摩尔比为1:1；2)多级孔氮掺杂碳/MgO复合微球材料的制备2.1)将镁盐加入到步骤1.3)中得到的聚酰胺酸溶液中，搅拌，得到混合均匀的混合物A；所述镁盐的添加量为1～20wt％；2.2)将步骤2.1)中得到的混合物A涂覆到大孔支架上，真空浸渍、干燥；2.3)在惰性气体气氛下，将步骤2.2)中得到的涂覆有混合物A的大孔支架进行高温热处理；所述高温热处理过程包括：在100℃条件下加热0.5～3h，在200℃条件下加热0.5～3h，在300℃条件下加热0.5～3h；2.4)将步骤2.3)中高温热处理后得到的产物冷却至室温后，得到具有花状形貌的多级孔氮掺杂碳/MgO复合微球材料。...

【技术特征摘要】
1.一种高性能吸附材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)聚酰胺酸溶液的制备1.1)使用乙醇对4,4′-二氨基二苯醚进行重结晶处理，密封保存；使用乙酸酐对均苯四羧酸二酐进行重结晶处理，密封保存；1.2)采用减压蒸馏法去除极性溶剂中的水，将重蒸后的极性溶剂置于干燥器中保存；1.3)在室温和氮气气氛环境下，将步骤1.1)中得到的重结晶后的4,4′-二氨基二苯醚和均苯四羧酸二酐加入到步骤1.2)中得到的重蒸后的极性溶剂中，搅拌后进行缩聚反应，配制成固含量为5～15wt％的聚酰胺酸溶液；所述4,4′-二氨基二苯醚和均苯四羧酸二酐的摩尔比为1:1；2)多级孔氮掺杂碳/MgO复合微球材料的制备2.1)将镁盐加入到步骤1.3)中得到的聚酰胺酸溶液中，搅拌，得到混合均匀的混合物A；所述镁盐的添加量为1～20wt％；2.2)将步骤2.1)中得到的混合物A涂覆到大孔支架上，真空浸渍、干燥；2.3)在惰性气体气氛下，将步骤2.2)中得到的涂覆有混合物A的大孔支架进行高温热处理；所述高温热处理过程包括：在100℃条件下加热0.5～3h，在200℃条件下加热0.5～3h，在300℃条件下加热0.5～3h；2.4...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玉荣，刘碧桃，张进，
申请(专利权)人：重庆文理学院，
类型：发明
国别省市：重庆;50