高比表面积的铝基MOF多孔碳材料的制备与应用制造技术

技术编号:19352623 阅读:3 留言:0更新日期:2018-11-07 17:40
本发明专利技术提供了一种高比表面积的铝基MOF多孔碳材料的制备与应用,所述方法包含如下步骤:将MIL‑100(Al)材料与额外碳源分散于乙醇,然后程序升温使碳源在铝基MOF材料内聚合,再高温碳化;将碳化产物与活化剂混合,升温活化后,酸洗、水洗、真空干燥,可得高比表面积的铝基MOF多孔碳材料,该材料可以用于气体吸附分离方面。该方法制备过程简单,产物具有较高的比表面积和丰富的孔道,且对甲苯具有较高的吸附容量。

【技术实现步骤摘要】
高比表面积的铝基MOF多孔碳材料的制备与应用
本专利技术属于多孔碳材料的制备领域,具体涉及一种高比表面积的铝基MOF多孔碳材料的制备与应用。
技术介绍
挥发性有机物(VOCs)作为臭氧和PM2.5的重要前驱体,是我国当前区域型复合型空气污染的主要贡献者之一,国家环保部已经将其列为细颗粒物之外最大的空气污染元凶。近年来,随着我国经济的高速发展和工业化进程的加快,VOCs的排放量以惊人的速度增长。这些VOCs多数具有毒性和刺激性,长期接触会损害人体神经中枢和免疫系统,部分甚至还具有基因毒性和致癌性,会给生命带来严重威胁。同时,VOCs在紫外光的激发下,能与大气中的氮氧化物发生光化学反应,形成毒性更大的光化学烟雾。据相关机构测算,到2020年,预计工业源重点行业VOCs的减排需求累计高达430万吨,因此加强VOCs治理刻不容缓。目前,国内外VOCs净化回收技术主要有吸收法、冷凝法、膜分离法和吸附法等。其中,吸附法由于工艺流程相对简单且VOCs回收率高等优点,被认为是一种极具发展潜力的VOCs净化回收技术,该技术已在VOCs的净化回收方面得到广泛的应用。吸附剂是吸附回收技术的核心。在诸多多孔材料中,多孔碳材料因其具有高表面积和高孔隙率,同时还具有物理化学稳定性和机械稳定性等特点,被广泛用于各研究领域,特别是气体吸附与分离领域。目前,多孔碳材料的制备方法主要有软模板法和硬模板法。硬模板法是将碳源前驱体通过物理或化学方法填充到硬模板的孔隙中,经过碳化,最后移除硬模板,可获得具有特定孔结构的多孔碳材料,但该方法制备过程复杂、耗时。软模板法是利用模板剂和前驱体反应,通过一系列的聚合、碳化、自组装等形成多孔碳材料。软模板法可以免移除模板剂,但目前可供使用的模板剂很少,故而其应用受到了限制。近年来,以金属-有机骨架多孔材料(Metal-organicframeworks,MOFs)为前躯体和模板制备多孔碳材料的研究受到广泛的关注。由于MOFs具有巨大的比表面积、高孔隙率、结构多样性等特点,使其成为前躯体和模板的理想选择。Jiang等(JiangH.L.,etal.Frommetal–organicframeworktonanoporouscarbon:towardaveryhighsurfaceareaandhydrogenuptake.JournaloftheAmericanChemicalSociety,2011,133,11854)首次利用ZIF-8作为前驱物和模板,将呋喃甲醇引入ZIF-8碳化,所制备的多孔碳材料的比表面积高达3405m2/g,该材料在77K和1bar的条件下对H2吸附量可达2.77wt%。Wang课题组(WangQ.,etal.Functionalzeolitic-imidazolate-framework-templatedporouscarbonmaterialsforCO2captureandenhancedcapacitors.Chemistry,anAsianJournal,2013,8:1879)直接碳化3种ZIFs材料(ZIF-8、ZIF-68、ZIF-69),经KOH活化,得到3种多孔碳材料,其中NPC8展现出最高的氢气吸附能力(2.59%,77K和1bar),而NPC69展现出最高的CO2吸附能力(4.76mmol/g,273K和1bar)。这些研究表明,MOF基多孔碳材料在气体吸附分离方面具有很好的应用前景。Wang等(WangJ.,etal.Aversatilesynthesisofmetal–organicframeworkderivedporouscarbonsforCO2captureandgasseparation.JournalofMaterialsChemistryA,2016,4,19095-1910)直接碳化MIL-100(Al)、MIL-100(Al)/F127复合物、MIL-100(Al)/KOH混合物等制备了一系列的多孔碳材料,而所制备的多孔碳材料BET比表面积最高仅有1097m2/g。因此,研究具有高比表面积的MIL-100(Al)基多孔碳材料对于治理日益严重的VOCs污染和大气灰霾现象,具有重要的科学研究价值和迫切的社会需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可应用于VOCs气体吸附分离且所制得材料具有丰富的微孔和中孔等多级孔结构,并且具有良好的气体吸附性能的高比表面积的铝基MOF多孔碳材料的制备与应用。为了实现上述的技术目的,本专利技术采用的技术方案为:一种高比表面积的铝基MOF多孔碳材料的制备方法,其包括如下步骤:(1)将铝基MOF材料与额外碳源分散于乙醇中,然后将混合体系升温处理,使额外碳源在铝基MOF材料内发生聚合,继而再经碳化处理后,制得碳化产物;(2)将步骤(1)制得的碳化产物与活化剂混合,然后再进行升温活化处理后,制得活化产物;(3)将步骤(2)制得的活化产物依序经过酸洗、水洗和真空干燥处理后,即可制得高比面积的铝基MOF多孔碳材料。进一步,步骤(1)中所述的铝基MOF材料为MIL-100(Al)。优选的,步骤(1)中所述的额外碳源为葡萄糖或蔗糖。优选的,步骤(1)中铝基MOF材料与额外碳源的质量混合比1:0.5~2.5。进一步,步骤(1)中将混合体系升温至50~60℃维持1~3h,然后再升温至80~100℃维持3~5h,继而再升温至150~170℃维持5~7h;最后以600~800℃的温度条件进行碳化处理2~5h。优选的,碳化处理过程中持续通入氮气作为保护气体。优选的,在150~170℃维持5~7h后,在持续通入氮气的情况下以5~10℃/min的升温速率升温至600~800℃。进一步,步骤(2)中的活化剂为氢氧化钾或氯化锌,碳化产物与活化剂混合的比例为1:1~7,且升温活化为氮气保护下以5℃/min升温至600~900℃维持1~3h。进一步,步骤(3)中的酸洗为以浓度1mol/L的盐酸洗涤;真空干燥处理的温度为120~150℃,干燥时间为8~12h。根据上述制备方法制得的高比表面积的铝基MOF多孔碳材料的应用,将制得的高比表面积的铝基MOF多孔碳材料应用于VOCs气体的吸附分离净化。采用上述的技术方案,本专利技术具有的有益效果为:(1)本专利技术采用绿色廉价的碳源如葡萄糖或蔗糖,即可合成高比表面积的铝基MOF多孔碳材料;(2)本专利技术所制备的铝基MOF多孔碳材料,同时具有丰富微孔与中孔结构,微孔对吸附质具有强吸附作用力,有利于吸附质的吸附,而中孔有利于吸附质的扩散;(3)采用本专利技术所述方法制备的铝基MOF多孔碳材料对挥发性有机物甲苯具有高吸附容量,其吸附容量可以达11.7mmol·g-1,远高于原始MIL-100(Al)材料。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步的阐述:图1为本专利技术实施例1制备的MIL-100(Al)和实施例2制备的高比表面积的铝基MOF多孔碳材料的N2吸附脱附等温线。图2为本专利技术实施例1制备的MIL-100(Al)和实施例2制备的高比表面积的铝基MOF多孔碳材料对甲苯的吸附等温线。具体实施方式实施例1本专利技术所述高比表面积的铝基MOF多孔碳材料的制备方法对所有铝基MOF材料均有作用。为便于对比说明本专利技术所本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种高比表面积的铝基MOF多孔碳材料的制备方法,其特征在于:其包括如下步骤:(1)将铝基MOF材料与额外碳源分散于乙醇中,然后将混合体系升温处理,使额外碳源在铝基MOF材料内发生聚合,继而再经碳化处理后,制得碳化产物;(2)将步骤(1)制得的碳化产物与活化剂混合,然后再进行升温活化处理后,制得活化产物;(3)将步骤(2)制得的活化产物依序经过酸洗、水洗和真空干燥处理后,即可制得高比面积的铝基MOF多孔碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种高比表面积的铝基MOF多孔碳材料的制备方法,其特征在于:其包括如下步骤:(1)将铝基MOF材料与额外碳源分散于乙醇中,然后将混合体系升温处理,使额外碳源在铝基MOF材料内发生聚合,继而再经碳化处理后,制得碳化产物;(2)将步骤(1)制得的碳化产物与活化剂混合,然后再进行升温活化处理后,制得活化产物;(3)将步骤(2)制得的活化产物依序经过酸洗、水洗和真空干燥处理后,即可制得高比面积的铝基MOF多孔碳材料。2.根据权利要求1所述的一种高比表面积的铝基MOF多孔碳材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述的铝基MOF材料为MIL-100(Al)。3.根据权利要求2所述的一种高比表面积的铝基MOF多孔碳材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述的额外碳源为葡萄糖或蔗糖。4.根据权利要求3所述的一种高比表面积的铝基MOF多孔碳材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中铝基MOF材料与额外碳源的质量混合比1:0.5~2.5。5.根据权利要求1所述的一种高比表面积的铝基MOF多孔碳材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中将混合体系升温至50~60℃维持1~3h,然后再升温至80~100℃维持3~5...

【专利技术属性】
技术研发人员:孙雪娇吴婷婷顾秀莲朱宁罗鑫陈文杰黄妙龄许妙琼
申请(专利权)人:泉州师范学院
类型:发明
国别省市:福建,35

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