一種三維宏觀自支撐結(jié)構(gòu)的多孔炭材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于多孔材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及是一種三維宏觀自支撐結(jié)構(gòu)的多孔炭材料的制備方法。包括：聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶液的配制，真空凍干法得到多孔結(jié)構(gòu)的PVP前驅(qū)體，再將上述前驅(qū)體恒溫150??200℃穩(wěn)定12??48h，再經(jīng)600??1000℃高溫碳化得到多孔炭，最后KOH與上述多孔炭按照一定質(zhì)量比例混合，800℃活化1??2h，得到集微孔、介孔和大孔于一體的多孔炭材料。本方法進一步優(yōu)化了制備多孔炭材料的方法，制備過程操作簡單，產(chǎn)率高，綠色無污染，制備的多孔炭材料孔結(jié)構(gòu)有序，具有高的比表面積和高達(dá)90%的孔隙率。
【專利說明】一種三維宏觀自支撐結(jié)構(gòu)的多孔炭材料的制備方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于多孔材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及是一種三維宏觀自支撐結(jié)構(gòu)的多孔炭材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0003]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中和生活中帶來的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，工業(yè)污水中的酸、堿、鎘、汞、砷、苯、有機染料等有毒物質(zhì)，會通過土壤的滲透作用流入地下水體系，毒死水生生物，影響人們的飲用水源。所以對工業(yè)污水的處理尤為重要。目前，水污染的處理可分為化學(xué)分解法和物理吸附法，其中化學(xué)分解法，即將污水中如高分子一類物質(zhì)分解成水和其他一些小分子，很顯然，多數(shù)情況這種處理方式不可避免的會造成水體的二次污染。而物理吸附的方法很好的避免了二次污染的存在。具有良好吸附功能材料的研發(fā)成為近十幾年的研究熱點，多孔炭材料作為一種新型炭材料已備受關(guān)注。
[0004]目前，多孔炭主要以煤焦油、瀝青、石油、生物質(zhì)、聚合物為原料，通過物理化學(xué)活化法、聚合物混合碳化法、有機凝膠法及模板法制備。多孔炭材料根據(jù)其孔徑大小可分為大孔(>50nm)、介孔(2?50nm)和微孔(<2nm),其中微孔結(jié)構(gòu)又可分為極微孔(〈0.7nm)和超微孔(0.7?2nm)，其特殊的孔分布結(jié)構(gòu)，使其具高比表面積、高孔隙率、良好的通透性、綠色無毒等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于吸附分離、催化劑載體、儲能和醫(yī)用生物材料等領(lǐng)域，在廢棄染料的吸附作用上尤為突出。
[0005]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種多孔炭材料的制備方法，該方法結(jié)合冷凍干燥法，高溫碳化法和化學(xué)活化法，制得具有自支撐結(jié)構(gòu)、高比表面積、密度低的多孔結(jié)構(gòu)炭，可用作重復(fù)吸附分離材料、催化劑載體等。
[0007]本發(fā)明包括:
(I)前驅(qū)溶液的制備及PVP的真空干燥
PVP與水按一定比例磁力攪拌12h，將PVP水溶液呈裝在離心管中，定向、快速插入液氮中，并迅速移入真空干燥裝置，保持真空度低于50Pa，干燥36h，得到孔結(jié)構(gòu)排列規(guī)則的PVP前驅(qū)物。
[0008](2)前驅(qū)物的穩(wěn)定過程
將上述前驅(qū)物150—200 0C空氣環(huán)境穩(wěn)定12—48h ；
(3)PVP碳化過程
將穩(wěn)定得到的材料進行高溫碳化4h，得到初步的多孔炭材料；
(4)多孔炭的活化過程將KOH與上述多孔炭按照質(zhì)量比4:1混合，800°(:活化1--211，即得目標(biāo)產(chǎn)物。
[0009]所述步驟(I)中磁力攪拌12h，目的在于保證原料充分混合，之后呈裝于離心管中快速、定向插入液氮中，目的在于形成規(guī)則分布的多孔結(jié)構(gòu)。
[0010]所述步驟(I)中真空干燥不少于36h，目的是盡可能去除水分。
[0011]所述步驟(2)中恒溫穩(wěn)定為:150-200 °C，空氣環(huán)境干燥12__48h，自然降溫。
[0012]所述步驟(3)中將前驅(qū)物于管式爐至進行碳化，碳化過程分為2部分，第一部分，由室溫升高至360°C，并保持4h，第二部分，在氮氣作為保護氣的環(huán)境下，由360 °C升至600 °C-1000°C，并保持4h，后自然降溫，整個過程中升溫速率可調(diào)控為2°C/min --10°C/min，初步得到多孔炭材料。
[0013]所述步驟(4)中將上述的到的炭多孔材料與KOH按照質(zhì)量比1:4稱量，研磨KOH，使多孔炭埋于KOH其中，呈于石墨坩禍，移入管式爐，氮氣環(huán)境下進行活化煅燒過程:先由室溫升溫至400°C，保持30min，再升溫至800°C，保持l—2h，過程中升溫速率為5°C/min。自然降溫至室溫O
[0014]所述步驟(4)中將樣品移入去離子水中80°C水浴30min，再經(jīng)去離子水反復(fù)清洗直至中性，60°C干燥。
[0015]
有益效果
(I)本發(fā)明所制得的多孔炭呈三維自支撐結(jié)構(gòu)。
[0016](2)本發(fā)明所制得的多孔炭具有高的比表面積，密度小，性質(zhì)穩(wěn)定等特點，可用作吸附材料、催化劑載體等。
[0017](3 )本發(fā)明通過改變PVP水溶液的濃度、碳化溫度、升溫速率和活化時間來改變多孔炭的形貌結(jié)構(gòu)。
[0018](4)本發(fā)明制備工藝簡單，易于操作，對環(huán)境無污染。
[0019]
【附圖說明】
[0020]圖1為制備多孔炭材料的工藝路線圖；
圖2為本發(fā)明的多孔炭材料的XRD圖；
圖3為本發(fā)明中PVP濃度不同(A.B.C)，碳化溫度不同(D.E.F)和升溫速率不同(G.H.1)所得三組多孔炭的SEM圖；
圖4為本發(fā)明中實施例1制備的多孔炭的紅外譜圖；
圖5為本發(fā)明中實施例1制備的多孔炭的物理吸附曲線，其比表面積為1846cm3/g;
圖6為本發(fā)明中實施例1制備的多孔炭的孔徑分布圖；
圖7為本發(fā)明中實施例1制備的多孔炭對Μ0、ΜΒ和RB的吸附圖。
[0021]
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合具體實施例，進一步闡明本發(fā)明。
[0023]實施例1 (I)前驅(qū)溶液的制備及PVP的冷凍干燥
稱量一定量PVP與水按質(zhì)量分?jǐn)?shù)10wt%混合，磁力攪拌12h，將PVP水溶液呈裝在離心管中，定向、快速插入液氮中，并迅速移入真空干燥裝置，保持真空度低于50Pa，干燥36h，得到孔結(jié)構(gòu)排列規(guī)則的PVP前驅(qū)物。
[0024](2)前驅(qū)物的穩(wěn)定過程
將上述前驅(qū)物150°C空氣環(huán)境穩(wěn)定24h;
(3)PVP碳化過程
將PVP置于管式爐中，由室溫升高至360°C，并保持4h，充入氮氣作為保護氣，由360°C升至1000°C，并保持4h，自然降溫，整個過程中升溫速率5 °C /min，初步得到多孔炭材料。
[0025](4)多孔炭的活化過程
將多孔炭材料與KOH按照質(zhì)量比1:4稱量，研磨KOH，使多孔炭埋于KOH其中，呈于石墨坩禍，移入管式爐，氮氣環(huán)境下，先由室溫升溫至400°C，保持30min，再升溫至800°C，保持lh，過程中升溫速率不變?yōu)?°C/min。自然降溫至室溫。
[0026]實施例2
(I)前驅(qū)溶液的制備及PVP的冷凍干燥
稱量一定量PVP與水按質(zhì)量分?jǐn)?shù)10wt%混合，磁力攪拌12h，將PVP水溶液呈裝在離心管中，定向、快速插入液氮中，并迅速移入真空干燥裝置，保持真空度低于50Pa，干燥36h，得到孔結(jié)構(gòu)排列規(guī)則的PVP前驅(qū)物。
[0027](2)前驅(qū)物的穩(wěn)定過程
將上述前驅(qū)物150°C空氣環(huán)境穩(wěn)定24h;
(3)PVP碳化過程
將PVP置于管式爐中，由室溫升高至360°C，并保持4h，充入氮氣作為保護氣，由360°C升至800°C，并保持4h，自然降溫，整個過程中升溫速率5 °C /min，初步得到多孔炭材料。
[0028](4)多孔炭的活化過程
將多孔炭材料與KOH按照質(zhì)量比1:4稱量，研磨KOH，使多孔炭埋于KOH其中，呈于石墨坩禍，移入管式爐，氮氣環(huán)境下，先由室溫升溫至400°C，保持30min，再升溫至800°C，保持lh，過程中升溫速率不變?yōu)?°C/min。自然降溫至室溫。
[0029]實施例3
(I)前驅(qū)溶液的制備及PVP的冷凍干燥
稱量一定量PVP與水按質(zhì)量分?jǐn)?shù)10wt%混合，磁力攪拌12h，將PVP水溶液呈裝在離心管中，定向、快速插入液氮中，并迅速移入真空干燥裝置，保持真空度低于50Pa，干燥36h，得到孔結(jié)構(gòu)排列規(guī)則的PVP前驅(qū)物。
[0030](2)前驅(qū)物的穩(wěn)定過程
將上述前驅(qū)物150°C空氣環(huán)境穩(wěn)定24h;
(3)PVP碳化過程
將PVP置于管式爐中，由室溫升高至360°C，并保持4h，充入氮氣作為保護氣，由360°C升至600°C，并保持4h，自然降溫，整個過程中升溫速率 5 °C /min，初步得到多孔炭材料。
[0031](4)多孔炭的活化過程
將多孔炭材料與KOH按照質(zhì)量比1:4稱量，研磨KOH，使多孔炭埋于KOH其中，呈于石墨坩禍，移入管式爐，氮氣環(huán)境下，先由室溫升溫至400°C，保持30min，再升溫至800°C，保持lh，過程中升溫速率不變?yōu)?°C/min。自然降溫至室溫。
[0032]實施例4
(I)前驅(qū)溶液的制備及PVP的冷凍干燥
稱量一定量PVP與水按質(zhì)量分?jǐn)?shù)15wt%混合，磁力攪拌12h，將PVP水溶液呈裝在離心管中，定向、快速插入液氮中，并迅速移入真空干燥裝置，保持真空度低于50Pa，干燥36h，得到孔結(jié)構(gòu)排列規(guī)則的PVP前驅(qū)物。
[0033](2)前驅(qū)物的穩(wěn)定過程
將上述前驅(qū)物150°C空氣環(huán)境穩(wěn)定24h;
(3)PVP碳化過程
將PVP置于管式爐中，由室溫升高至360°C，并保持4h，充入氮氣作為保護氣，由360°C升至800°C，并保持4h，自然降溫，整個過程中升溫速率5 °C /min，初步得到多孔炭材料。
[0034](4)多孔炭的活化過程
將多孔炭材料與KOH按照質(zhì)量比1:4稱量，研磨KOH，使多孔炭埋于KOH其中，呈于石墨坩禍，移入管式爐，氮氣環(huán)境下，先由室溫升溫至400°C，保持30min，再升溫至800°C，保持lh，過程中升溫速率不變?yōu)?°C/min。自然降溫至室溫。
[0035]實施例5
(I)前驅(qū)溶液的制備及PVP的冷凍干燥
稱量一定量PVP與水按質(zhì)量分?jǐn)?shù)5wt%混合，磁力攪拌12h，將PVP水溶液呈裝在離心管中，定向、快速插入液氮中，并迅速移入真空干燥裝置，保持真空度低于50Pa，干燥36h，得到孔結(jié)構(gòu)排列規(guī)則的PVP前驅(qū)物。
[0036](2)前驅(qū)物的穩(wěn)定過程
將上述前驅(qū)物150°C空氣環(huán)境穩(wěn)定24h;
(3)PVP碳化過程
將PVP置于管式爐中，由室溫升高至360°C，并保持4h，充入氮氣作為保護氣，由360°C升至800°C，并保持4h，自然降溫，整個過程中升溫速率5°C/min，初步得到多孔炭材料。
[0037](4)多孔炭的活化過程
將多孔炭材料與KOH按照質(zhì)量比1:4稱量，研磨KOH，使多孔炭埋于KOH其中，呈于石墨坩禍，移入管式爐，氮氣環(huán)境下，先由室溫升溫至400°C，保持30min，再升溫至800°C，保持lh，過程中升溫速率不變?yōu)?°C/min。自然降溫至室溫。
[0038]實施例6
(I)前驅(qū)溶液的制備及PVP的冷凍干燥
稱量一定量PVP與水按質(zhì)量分?jǐn)?shù)10wt%混合，磁力攪拌12h，將PVP水溶液呈裝在離心管中，定向、快速插入液氮中，并迅速移入真空干燥裝置，保持真空度低于50Pa，干燥36h，得到孔結(jié)構(gòu)排列規(guī)則的PVP前驅(qū)物。
[0039](2)前驅(qū)物的穩(wěn)定過程
將上述前驅(qū)物150°C空氣環(huán)境穩(wěn)定24h;
(3)PVP碳化過程
將PVP置于管式爐中，由室溫升高至360°C，并保持4h，充入氮氣作為保護氣，由360°C升至800°C，并保持4h，自然降溫，整個過程中升溫速率5 °C /min，初步得到多孔炭材料。
[0040](4)多孔炭的活化過程
將多孔炭材料與KOH按照質(zhì)量比1:4稱量，研磨KOH，使多孔炭埋于KOH其中，呈于石墨坩禍，移入管式爐，氮氣環(huán)境下，先由室溫升溫至400°C，保持30min，再升溫至800°C，保持1.5h，過程中升溫速率不變?yōu)?°C/min。自然降溫至室溫。
【主權(quán)項】
1.一種三維宏觀自支撐結(jié)構(gòu)的多孔炭材料的制備方法，其特征是具體步驟如下: (1)前驅(qū)溶液的制備及PVP的真空干燥 PVP與水按一定比例磁力攪拌12h，將PVP水溶液呈裝在離心管中，定向、快速插入液氮中，并迅速移入真空干燥裝置，保持真空度低于50Pa，干燥36h，得到孔結(jié)構(gòu)排列規(guī)則的PVP前驅(qū)物； (2)前驅(qū)物的穩(wěn)定過程 將上述前驅(qū)物150—200 0C空氣環(huán)境穩(wěn)定12—48h ； (3)PVP碳化過程 將前驅(qū)物于管式爐至進行碳化，碳化過程分為2部分，第一部分，由室溫升高至360°C，并保持4h，第二部分，在氮氣作為保護氣的環(huán)境下，由360°C升至600°C-1000°C，并保持4h，后自然降溫，整個過程中升溫速率可調(diào)控為2°C/min -10°C/min，初步得到多孔炭材料； (4)多孔炭的活化過程 將上述的到的炭多孔材料與KOH按照質(zhì)量比1:4稱量，研磨KOH，使多孔炭埋于KOH其中，呈于石墨坩禍，移入管式爐，氮氣環(huán)境下進行活化煅燒過程:先由室溫升溫至400 V，保持30min，再升溫至800°C，保持l-2h，過程中升溫速率為5°C/min，自然降溫至室溫，將降至室溫的樣品移入去離子水中80°C水浴30min，再經(jīng)去離子水反復(fù)清洗直至中性，60°C干燥，SP得目標(biāo)產(chǎn)物。
【文檔編號】C01B31/12GK106006633SQ201610315894
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】姜希, 邵長路, 李興華
【申請人】東北師范大學(xué)