[发明专利]一种具有微纳复合结构的多孔碳质吸附材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米技术应用领域，具体涉及一种具有微纳复合结构的多孔碳质吸附材料的制备方法。

背景技术

随着全球气候变暖加剧，温室效应所带来的环境问题日渐为人们所关注。根据联合国气候大会通过的《京都议定书》中的规定，温室气体包括二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物、全氟碳化物和六氟化硫等六种气体，其中二氧化碳是最主要的温室气体。持续的温室气体排放，不仅会导致全球变暖，使冰川融化，海平面上升，还会造成气候反常，海洋风暴增多，土地干旱和沙漠化面积增大等等，所以，必须加大CO₂等温室气体排放后的捕集力度。但是，现阶段的二氧化碳吸收材料，如有机氨溶液、碱性氧化物、硅胶、沸石和活性炭等常见吸附材料普遍存在吸收效率低、材料利用率低、循环使用性能差等缺点。因此，具有高效吸收率、高利用率和高循环利用性的温室气体吸收材料的研究与开发具有深远的科学意义和重要的应用价值。

碳纳米管是一种重要的新型碳材料，其大的长径比和表面六边形结构及中空管道等独特结构，赋予其很大的比表面积，决定了其优良的吸附能力。另外，碳纳米管有力学性能高、物理化学性质稳定、反应活性高等特点，在众多吸附剂中具有优越性，决定了其在气体的捕集回收方面有很大优势。中空活性碳纤维是活性碳纤维的一种特殊形式，其内外表面各有一层很薄的微孔层，且1nm以下的极微孔含量丰富，加上壁中亦有丰富的微孔，其内外壁总比表面积比活性碳纤维大得多，因此容易吸附小分子物质。但是，目前为止，中空活性碳纤维在气体吸附方面的研究报道还极少。因此，开发一种微米级中空活性碳纤维和纳米级碳纳米管相结合的微纳复合结构的碳质吸附材料，必将突破现有吸附材料的缺陷，为气体吸附领域的发展和研究开拓新思路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有微纳复合结构的多孔碳质吸附材料的制备方法。首先使用中空纤维膜丝作模板，在内外表面分别负载碳的前驱体。然后，利用高温碳化过程将模板烧掉，得到以碳为主要成分的黑色碳纤维，经过进一步活化，制备得到中空结构的活性碳纤维。最后，利用碳质吸附材料的孔隙结构发达、比表面积大、物理化学性质稳定和力学强度高等优势，采用化学气相沉积法，在中空活性碳纤维上生长碳纳米管，构筑成具有高比表面积和丰富微孔的微纳复合结构的气体吸附材料。

具体制备步骤如下：

(1) 以中空纤维膜丝作模板，利用表面活性剂进行改性之后，浸渍在碳的前驱体溶液中，得到负载有碳的前驱体的中空纤维膜丝样品；

(2) 将步骤(1)所得样品首先在惰性气体中碳化，碳化温度为650~950℃，碳化时间为10-120分钟，然后利用活性气体进行活化，活化温度为600~950℃，活化时间为20-120分钟，得到中空活性碳纤维；

(3) 将步骤(2)所得中空活性碳纤维浸渍在金属溶液中，3~48小时后取出，干燥，得到内外表面均负载有金属催化剂的中空活性碳纤维样品；利用化学气相沉积法，在管式炉内依次通过氢气还原金属和高温通入碳源生长碳纳米管，得到内外表面均生长有碳纳米管的微纳复合结构样品；其中：还原温度为400~700℃，还原时间为30~120min，碳纳米管生长温度为500~900℃，时间为30~120min；

(4) 将步骤(3)得到的样品利用稀酸清洗6~24小时，所用稀酸的摩尔浓度为3~5mol·L^-1，除掉残留的金属催化剂，得到具有微纳复合结构的多孔碳质吸附材料。

本发明中，步骤(1)所述的中空纤维膜丝为聚丙烯中空纤维膜丝、聚氯乙烯中空纤维膜丝、聚苯乙烯中空纤维膜丝、聚乙烯醇中空纤维膜丝、聚砜中空纤维膜丝、聚醚砜中空纤维膜丝、聚苯醚砜中空纤维膜丝、聚偏氟乙烯中空纤维膜丝、聚四氟乙烯中空纤维膜丝、聚酰亚胺中空纤维膜丝、醋酸纤维素中空纤维膜丝、氟碳类中空纤维膜丝等其中的任一种。优选的，所述的中空纤维膜丝为聚丙烯中空纤维膜丝。