一种用于捕获CO2的复合纳米气凝胶材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于捕获CO2的复合纳米气凝胶材料及其制备方法，首先将主组分前驱体溶于有机溶剂中进行水解、缩合聚得溶胶粒子，然后将活性掺杂组分添加到溶胶中，促使纳米网络体系围绕着活性掺杂物质生长，进而形成掺杂物质均匀分散于凝胶孔隙中的活性组分掺杂多孔复合气凝胶纳米材料。本发明专利技术充分结合多种活性基团掺杂改性和多孔结构调控手段，可显著提升所得纳米多孔气凝胶材料的物理和化学吸附以及催化性能，具备极高的CO2捕获效率，并达到在较宽的温度范围内高选择性吸附CO2的目的；且涉及的制备方法简单、操作方便、重复性好，适合推广应用。合推广应用。

【技术实现步骤摘要】
一种用于捕获CO2的复合纳米气凝胶材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于纳米材料技术及碳中和领域，具体涉及一种应用于CO2捕获的活性组分掺杂的复合纳米多孔气凝胶材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着工业化进程的发展，温室气体排放日益严重，CO2作为温室气体的主要成分，其排放引起了一系列的气候灾难和其它问题，控制CO2排放已成为全球共识，中国也已开启碳中和年代。近年来大量相关的CO2捕获技术正在开展，其中吸附催化技术属于一种价格低廉且非常有前景的控制手段。
[0003]然而，现有的物理吸附如分子筛和活性炭等常常存在较低的选择性，而化学吸附如金属氧化物负载的固态吸附剂则存在吸附能力差的问题。同时，现有CO2吸附剂的吸附温度存在较大局限：如现有的活性炭、沸石等物理吸附剂尽管在低温下有较高的吸附效率，但是不能应用于较高温度范围；现有较常应用的氧化钙、氧化镁等单一或复合吸附剂虽可应用于高温环境，但吸附过程中容易造成孔隙堵塞，从而降低吸附效率。如果能克服上述缺陷，将物理吸附和化学吸附的优点有机结合，将能同时获得高的吸附能力和高的选择性并扩大吸附剂的应用温度范围。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于针对现有技术存在的不足，同时兼顾物理吸附和化学吸附的优点，提供一种用于捕获CO2的复合纳米气凝胶材料，结合高活性组份掺杂改性和气凝胶多孔微观结构改性手段，制备得到高比表面积且性能优异适用温度范围广的多孔气凝胶吸附催化材料，且涉及的制备方法简单、操作方便、重复性好，适合推广应用。/>[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种用于捕获CO2的复合纳米气凝胶材料的制备方法，包括如下步骤：
[0007]1)将硅源溶于有机溶剂中，搅拌均匀，得硅源溶液；分别将催化剂和复合结构导向剂加入水中，配制催化剂溶液和导向剂溶液；
[0008]2)将催化剂溶液滴加至硅源溶液中进行加热搅拌，得均匀的低密度透明溶胶；然后加入导向剂溶液调控孔隙形貌结构，并进行二次加热搅拌，得均匀的透明多孔溶胶；
[0009]3)将活性掺杂组分溶液加入所得透明多孔溶胶中，进行加热搅拌处理，搅拌过程中调控所得混合体系的pH值，得复合多孔湿凝胶；
[0010]4)将所得复合多孔湿凝胶依次进行超临界干燥和分级煅烧，即得所述复合纳米气凝胶材料。
[0011]上述方案中，所述硅源为可水解缩合形成二氧化硅的硅烷或硅盐前驱体；具体可选择四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷、三甲氧基甲基硅烷、三乙氧基甲基硅烷、四氯化硅等中的一种或几种。
[0012]上述方案中，所述活性掺杂组分为碱性金属和/或非金属组分中的一种或多种，其
不与二氧化硅溶胶发生化学反应，对酸性CO2气体具有吸附性能，同时其中一种具有较高熔点。具体可选铁盐、镁盐、钡盐、锌盐、锶盐、铝盐、钛盐、镍盐、铜盐中的一种或几种，其中铁盐、镍盐、钡盐、铜盐等为高熔点组分。进一步的，可选择硝酸铁、硫酸铁、醋酸锌、四氯化钛、硝酸镁、硝酸钡等中的一种或几种。更优选的，所述掺杂组分由镁盐、铁盐、锌盐和钡盐组成。
[0013]上述方案中，所述有机溶剂可选用无水醇类(乙醇或异丙醇等)或醛类溶剂。
[0014]上述方案中，所述催化剂为盐酸、硝酸、草酸、醋酸或氨水等。
[0015]上述方案中，所述复合结构导向剂为柠檬酸、十二烷基铵、十二烷基磺酸钠、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酸、柠檬酸铵中的两种或两种以上。采用复合结构导向剂可以优化调控孔的结构形貌，确保多孔网格的形成，同时可以在网格中形成活性基团。
[0016]上述方案中，所述硅源与引入的活性掺杂组分的质量比为(1
‑
5):(0.01
‑
0.5)。
[0017]优选的，活性掺杂组分由镁盐、铁盐和钡盐组成，所述镁盐、铁盐、钡盐和硅源的质量比为(0.01
‑
0.3):(0.01
‑
0.3):(0.01
‑
0.3):(1.8
‑
15)。
[0018]上述方案中，所述硅源、催化剂、复合结构导向剂的质量比为(1
‑
5):(0.0004
‑
0.5):(0.1
‑
1)；所述硅源溶液的浓度为30
‑
70wt％；催化剂溶液和导向剂溶液的浓度分别为0.1
‑
10wt％和0.5
‑
10wt％。
[0019]上述方案中，制备过程中通过调整加入的酸或碱的浓度及温度调整水解度，使其值大于或等于2。
[0020]上述方案中，步骤3)所述pH值为3
‑
5。
[0021]优选的，步骤3)中进一步引入分散剂；所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、乙醇胺、硫醇或柠檬酸钠；掺杂组分与分散剂的质量比为(1
‑
10):1，以获得尺寸均匀分布的多孔纳米材料。
[0022]上述方案中，步骤3)中引入的掺杂组分占引入二氧化硅质量的1
‑
30％。
[0023]上述方案中，步骤1)中所述硅源的搅拌条件采用恒温磁力搅拌器，搅拌温度为40
‑
90℃。
[0024]上述方案中，步骤2)中所述加热搅拌温度为40
‑
90℃，时间为1
‑
4h；二次加热搅拌温度为40
‑
90℃，时间为5
‑
20min；步骤3)中所述加热搅拌处理温度为40
‑
90℃，时间为2
‑
4h；采用加热搅拌的手段可促进更多前驱体原料成为活化分子，提高了前驱体醇盐的水解活性，从而缩短水解反应时间。
[0025]上述方案中，所述超临界干燥工艺采用的温度为50
‑
80℃，压强为10
‑
20MPa，时间为5
‑
10h，超临界流体为CO2。
[0026]上述方案中，所述分级煅烧步骤包括：首先加热至400
‑
600℃，保温1
‑
10h，然后升温至600
‑
800℃，保温0.5
‑
2h。采用分级煅烧手段可以避免形成的孔坍塌，确保获得高的比表面积。
[0027]根据上述方案制备的复合纳米气凝胶材料，它主要由5
‑
20nm的纳米SiO2及活性组分组成，呈具有规则内孔的三维蜂窝网状结构(呈多孔结构，包括微孔和介孔)，比表面积达950m2/g以上；活性组分掺杂在SiO2颗粒之间；充分利用活性基团和多孔结构协同作用，可显著提升其吸附催化性能，具有高的温室气体CO2吸附能力和高的选择性，将其应用于0
‑
600℃的较宽温度范围和空气和烟气等气氛下温室气体CO2的捕获，其吸附能力达到4.5
‑
7.95mmol/g，同时也可应用于环境保护领域如大气、水、土本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于捕获CO2的复合纳米气凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将硅源溶于有机溶剂中，搅拌均匀，得硅源溶液；分别将催化剂和复合结构导向剂加入水中，配制催化剂溶液和导向剂溶液；2)将催化剂溶液滴加至硅源溶液中进行加热搅拌，得均匀的低密度透明溶胶；然后加入导向剂溶液，进行二次加热搅拌，得均匀的透明多孔溶胶；3)将活性掺杂组分溶液加入所得透明多孔溶胶中，进行加热搅拌处理，搅拌过程中调控所得混合体系的pH值，得复合多孔湿凝胶；4)将所得复合多孔湿凝胶进行超临界干燥、分级煅烧，即得所述复合纳米气凝胶材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述复合结构导向剂为柠檬酸、十二烷基铵、十二烷基磺酸钠、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酸、柠檬酸铵中的两种或两种以上。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅源为可水解缩合形成二氧化硅的硅烷或硅盐前驱体；所述活性掺杂组分为不与二氧化硅溶胶发生化学反应的碱性金属和/或非金属组分中的一种或多种；所述催化剂为盐酸、硝酸、草酸、醋酸或氨水。4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述活性掺杂组分为铁盐、镁盐、钡盐、锌盐、锶盐、铝盐、钛盐、镍盐、铜盐中的一种或几种，且至少一种为高熔点组分。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅源与引入的活性掺杂组分的质量比为(1
‑
5):(0.01
‑
0.5)；硅源、催化剂和复合结构导向剂的质量比为(1
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5):(0.0004
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0.5):(0.1
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1)；所述硅源溶液的质量浓度为30
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70wt％；催化剂溶液和导向剂溶液的浓度分别为0.1...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱建荣，张智祺，
申请(专利权)人：纳法瑞科技研究院深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：