氨基化碳納米管摻雜的碳納米纖維吸附材料及其制備方法與流程

文檔序號：12327118閱讀：801來源：國知局

本發(fā)明涉及一種氨基化碳納米管摻雜的碳納米纖維吸附材料及其制備方法，屬于二氧化碳吸附技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

化石燃料的大量使用致使大氣中的二氧化碳濃度逐年增大，導致溫室效應(yīng)凸顯、地球表面溫度上升、冰川融化、海平面升高、極端天氣事件頻繁發(fā)生等一系列環(huán)境與生態(tài)問題，因此二氧化碳的捕集和存儲具有極其重要的意義。吸附法由于具有吸附容量大、選擇性高、能耗低及易分離等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注，成為二氧化碳捕集和存儲領(lǐng)域的研究熱點之一。多孔活性炭材料具有比表面積高、孔結(jié)構(gòu)豐富、化學性質(zhì)和熱力學性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點，是一種常用的二氧化碳吸附分離用固體吸附劑。但純碳材料對二氧化碳的吸附作用主要是物理吸附，導致其二氧化碳吸附量和選擇性都較差。采用胺類物質(zhì)對碳材料進行改性可提高材料的二氧化碳吸附選擇性，如國內(nèi)專利CN105289530A公開的“一種基于有序介孔碳的二氧化碳吸附劑及制備方法”，該材料是通過浸漬法將聚乙烯亞胺負載到碳材料上來提高吸附選擇性，但聚乙烯亞胺的負載大幅降低了碳材料的比表面積及孔隙率。此外，現(xiàn)有的顆粒狀碳材料在使用過程中普遍存在易粉化的問題，限制了其可操作性和實際應(yīng)用性能。碳納米纖維材料以其連續(xù)性好、孔道結(jié)構(gòu)豐富等結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，可有效克服顆粒材料因其結(jié)構(gòu)不連續(xù)性和易粉化所帶來的應(yīng)用缺陷，在吸附分離領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，但是如何提高碳納米纖維的二氧化碳吸附選擇性和機械性能仍是一亟待解決的難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種氨基化碳納米管摻雜的碳納米纖維吸附材料的制備方法，以解決碳納米纖維吸附選擇性差以及碳材料在使用過程中普遍存在易粉化的問題。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種氨基化碳納米管摻雜的碳納米纖維吸附材料的制備方法，其特征在于，包括：

第一步：在室溫下，首先將氨基化碳納米管在溶劑中超聲分散1～10h，然后將碳納米纖維的前驅(qū)體聚合物添加到上述分散液中攪拌至完全溶解，得到質(zhì)量分數(shù)為5～30％的電紡原料；

第二步：將第一步得到的電紡原料加入到靜電紡絲裝置中，進行靜電紡絲，得到含氨基化碳納米管的雜化納米纖維材料；

第三步：將第二步制備的含氨基化碳納米管的雜化納米纖維材料進行碳化處理，獲得氨基化碳納米管摻雜的碳納米纖維吸附材料。

優(yōu)選地，所述的靜電紡絲條件為：靜電壓為10～40kV，注射泵流速為0.3～4mL/h，噴絲頭距接收屏距離為6～20cm。

優(yōu)選地，所述第一步中的超聲分散采用的超聲頻率為20～25kHz。

優(yōu)選地，所述的氨基化碳納米管為氨基化多壁碳納米管，外徑8～15nm，內(nèi)徑2～4nm，長度0.5～55μm，比表面積＞233m²/g，氨基化碳納米管在電紡原料中的質(zhì)量分數(shù)為0.5～5％。

優(yōu)選地，所述的溶劑為溶解前驅(qū)體聚合物的溶劑。

更優(yōu)選地，所述的溶劑為N，N-二甲基甲酰胺、甲酰胺、四氫呋喃、N-甲基吡咯烷酮、氯仿、N，N-二甲基乙酰胺、甲醇、乙醇、水、丙酮、二氯甲烷、甲酸、乙酸、二甲基亞砜、乙醚、三氯乙酸、三氟乙酸以及吡啶中的一種或兩種以上的混合物。

優(yōu)選地，所述的前驅(qū)體聚合物為聚丙烯腈、聚酰亞胺、聚乙烯醇縮丁醛、聚苯并噁嗪、聚苯胺、聚吡咯、聚苯并咪唑、酚醛樹脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、纖維素、醋酸纖維素以及乙基纖維素中的一種或兩種以上的混合物。

優(yōu)選地，所述的碳化處理包括：先在空氣氣氛下升溫至150～300℃進行預(yù)氧化處理0.5～5h，之后在保護氣體保護下升溫至600～1600℃，進行碳化處理0.5～20h，隨后降溫。

更優(yōu)選地，所述的保護氣體為氮氣、氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣中的一種或多種的組合。

本發(fā)明還提供了上述方法所制備的氨基化碳納米管摻雜的碳納米纖維吸附材料。

與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的優(yōu)點如下：

本發(fā)明工藝簡單，通過在碳納米纖維表界面摻雜氨基化碳納米管，獲得了可用于二氧化碳吸附的碳納米纖維材料。碳納米纖維具有的比表面積大、孔隙率高等優(yōu)點賦予該吸附材料較高的吸附量和吸附速率。氨基化碳納米管的加入可有效提升碳納米纖維材料對二氧化碳的吸附選擇性和材料本身的力學性能，因此可以克服顆粒材料因其結(jié)構(gòu)不連續(xù)性和易粉化所帶來的應(yīng)用缺陷，可滿足煙道氣中二氧化碳捕集的需要。本發(fā)明所獲得的碳納米纖維吸附材料對二氧化碳具有較好的吸附容量、較高的選擇性及循環(huán)穩(wěn)定性，所制備的碳納米纖維具有良好的柔性和機械強度，可操作性強，可滿足不同排放場所的二氧化碳捕集需要。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍之內(nèi)。

以下各實施例中的氨基化碳納米管為市售產(chǎn)品，外徑8～15nm，內(nèi)徑2～4nm，長度0.5～55μm，比表面積＞233m²/g。

本發(fā)明中的常溫指25℃。

實施例1～10中摻雜的氨基化碳納米管純度大于95％，胺基含量為0.45wt％，比表面積大于233m²/g；紡絲用聚合物選用聚丙烯腈(分子量為12W)、聚酰亞胺(分子量為2W～5W)、聚乙烯醇縮丁醛(分子量為17～25W)、聚苯胺(分子量為12W)、聚吡咯(分子量為17～25W)、聚苯并咪唑(分子量為17～25W)、酚醛樹脂(分子量為13W)、聚乙烯吡咯烷酮(分子量為20～25W)、聚乙烯醇(分子量為11～13W)；溶劑選用N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、氯仿、N，N-二甲基乙酰胺、甲醇、乙醇、去離子水，均由上海晶純試劑有限公司生產(chǎn)；高壓電源選用天津東文高壓電源廠生產(chǎn)的DW-P303-1ACD8型。

實施例1