免表面活性剂辅助糖类合成介孔碳材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种以糖类作为碳源前躯体，正硅酸乙酯(TEOS)作为共前躯体，硫酸作为催化剂，不使用表面活性剂来合成介孔碳材料的方法。通过TEOS水解成纳米硅球，水热条件下完成碳源前驱体的包裹，合成出碳硅复合物，通过硅球的脱除，合成出介孔碳材料。本发明专利技术可根据TEOS与碳源前躯体的比例关系、催化剂与碳源前躯体的比例关系、水热条件、碳化条件，进行介孔碳材料结构的调控，通过催化剂和水热时间的控制可实现对材料形貌的调控，合成出的介孔碳材料和微孔碳材料具有良好的吸附性能，可用于水体修复、气体净化和催化剂载体。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种不使用表面活性剂辅助糖类合成介孔碳材料的技术，具体涉及一种介孔碳材料的合成方法。
技术介绍
随着我国社会经济的蓬勃发展，工业产业发展迅速，包括石化、印染、制药等企业排放的各类污染物通常难以被传统生物法处理，会穿透市政污水处理设施，通过管网排入河流，对水体造成严重污染，危害人及生物链条的生长健康。通常一些企业为有效防范和降低此类污染物的排放，一般会在污染物排放源头做二次深度处理，通过一些物化强化手段来去除这部分污染物，例如活性炭吸附技术。而传统的活性炭材料由于生产工艺和材料本身性质的局限性造成其吸附能力有限，往往很快会被吸附饱和，尤其在应急处置中更需要具有吸附能力强，吸附速率快的吸附材料，另外高品质的活性炭一般需要大量的活化剂，一方面增加了活性炭的生产成本，另一方面延长了生产工艺也极易造成设备的腐蚀及二次污染。因此，探索新的碳基材料合成路径，避免活化剂的使用是新型活性炭材料的重要发展方向。蔗糖作为一种常见的碳水化合物，具有来源广泛、价廉、良好的水溶性等特点，是食品行业重要的添加剂。浓酸对蔗糖溶液的分解作用很大，如浓硫酸可以使固体蔗糖迅速脱水，焦化成黑色产物，在蔗糖溶液中，只要有少量的游离酸存在，就能迅速的加快蔗糖的转化；在介孔碳材料合成方面，碳水化合物由于其价格便宜、来源广泛，常被当做重要的碳源前躯体应用到硬模板法的合成当中，其中利用蔗糖作为碳源前躯体，浓硫酸作为催化剂，有序介孔硅材料SBA-15或MCM-48作为模板通过多次纳米铸造的方法合成介孔碳是最为典型的方式，而SBA-15和MCM-48通常需要三嵌段共聚物和硅源(例如F127和TEOS)来合成，此种合成路径工艺复杂且成本较高，只限于实验室规模；随着研究的深入，研究人员慢慢发现了一步合成蔗糖基介孔碳材料的方法，就是将F127，TEOS，蔗糖，硫酸等同时添加到溶液当中，F127和TEOS水解的硅球构成模板骨架，蔗糖经过催化聚合后与模板骨架形成碳硅复合物，省去了预制模板SBA-15等步骤，简化了合成工艺，然而模板剂F127的添加在很大程度上还是加重了生产成本；另外特殊形貌的介孔碳材料具有重要的工业价值，块状介孔碳材料由于较低的水阻压、高效的热交换和物质转移能力，相比于粉末状介孔碳材料在吸附分离、催化、能量贮存与转化方面更具有优势，不同的孔道结构具备不同的吸附功能，介孔适合于液相条件下的吸附，而微孔更适合于气相条件下的吸附。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术在传统的合成方法的基础上省去了模板剂(也即表面活性剂)的添加，只需要提供必要的硅源和碳源前躯体即可，大大缩减了合成的药剂成本，也简化了合成工艺。通过控制水热时间可以实现块状和颗粒状介孔碳材料的合成，控制催化剂的投加量实现了孔径由微孔到介孔的转换，因此，此方法合成出的材料不仅可适用于液相的吸附，也可用于气相的吸附。本专利技术的目的是提供一种节能环保，安全可靠地将糖类转化为介孔碳材料，所制备的介孔碳材料微孔和介孔丰富，形貌可调，吸附能力强，因此不仅可用于液相吸附，也可用于气相吸附。本专利技术公开了一种以糖类作为碳源前躯体、硫酸作为催化剂、TEOS(正硅酸乙酯)作为共前躯体的免表面活性剂辅助糖类合成介孔碳材料的方法。该种方法涉及下列几个步骤；(1)按照重量份比例将25重量份的水，11.5-23.5重量份的乙醇，6.5-12.8重量份的正硅酸乙酯(TEOS)，0.32-0.6重量份的2M盐酸，依次加入到搅拌器中搅拌，得到无色透明的溶液；(2)按照重量份比例将5重量份的蔗糖，0.25-3重量份的浓硫酸加入到步骤(1)得到的无色透明溶液中，搅拌后将混合液倒入反应釜加热，取出放入烘干装置内进行干燥处理，得到黑色固体；(3)将步骤(2)得到的黑色固体放入碳化炉中碳化，冷却后得到黑色固体；(4)将步骤(3)得到的黑色固体按照重量份比例将1重量份的TEOS投加到12重量份的10％wt的HF酸溶液当中，浸泡、过滤用水冲洗，直至上清液pH不再变化，干燥后筛分，得到蔗糖基介孔碳材料。碳化的具体过程可以为，由室温按照5℃/min的升温速率升至指定温度，碳化温度控制在500℃-900℃，碳化时间控制在3h-5h。在本专利技术的方法中，所使用的原料重量份比例可以为0.25重量份浓硫酸，5重量份蔗糖，25重量份水，23.5重量份乙醇，12.8重量份正硅酸乙酯(TEOS)，0.6重量份2M盐酸。从而，可得到微孔碳材料，适用于气体吸附在本专利技术的方法中，所使用的原料重量份比例可以为3重量份浓硫酸，5重量份蔗糖，25重量份去离子水，23.5重量份无水乙醇，12.8重量份正硅酸乙酯(TEOS)，0.6重量份2M盐酸。从而，可得到块状介孔碳硅复合材料在本专利技术的方法中，可用正硅酸甲酯(TMOS)代替正硅酸乙酯(TEOS)，可用葡萄糖或纤维素或淀粉代替蔗糖。本专利技术还涉及一种按照前述合成介孔碳材料的方法得到的介孔碳材料。本专利技术采用水热碳化法合成蔗糖基介孔碳材料，省去了表面活性剂的添加，节约了药剂成本，可实现对材料孔道结构的方便调控，工艺简单，具有工业应用化前景。本专利技术涉及到介孔碳材料形貌的控制，在控制水热时间的情况下，可实现块状介孔碳和颗粒状介孔碳材料的合成与结构调控。本专利技术涉及到多孔材料(微孔、介孔)的同步合成，依据此方法，通过控制催化剂的投加量，即可方便地控制合成材料的孔径分布。本专利技术合成出的介孔碳材料具有良好的吸附性能，吸附能力优于市面的活性炭产品，可用于污水处置及水中毒害物的去除，也可以用于气相条件下的吸附及催化剂载体。附图说明图1是本专利技术的免表面活性剂辅助糖类合成介孔碳材料的方法的一种实施方式的工艺流程图。图2是本专利技术的免表面活性剂辅助糖类合成介孔碳材料的方法的制备出的蔗糖基介孔碳材料的实物图。图3是本专利技术的免表面活性剂辅助糖类合成介孔碳材料的方法的制备出的蔗糖基微孔碳材料的氮气吸附脱附曲线及孔径分布图。图4是本专利技术的免表面活性剂辅助糖类合成介孔碳材料的方法的制备出的蔗糖基介孔碳材料的氮气吸附脱附曲线及孔径分布图。图5是本专利技术的免表面活性剂辅助糖类合成介孔碳材料的方法的制备出的蔗糖基介孔碳材料的吸附效果图。具体实施方式下面结合具体合成步骤对本专利技术做更进一步的解释。凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的替代方案，均处于本专利技术的保护范围之中。表1本专利技术合成出介孔碳材料的结构数据比表面积(m2/g)总孔容(cm3/g)介孔孔容(cm3/g)微孔孔容(cm3/g)最可几孔径(nm)421.5～505.20.28～0.430.23～0.310.061～0.0782.17～3.4实施例1：本专利技术的利用免表面活性剂辅助糖类合成介孔碳材料的方法，包括如下步骤：(1)按照25重量份的水，23.5重量份的乙醇，12.8重量份的正硅酸乙酯(TEOS)，0.6重量份的2M盐酸，依次加入到搅拌器中，室温的条件下搅拌2h，得到无色透明的溶液；(2)按照5重量份的蔗糖，0.25重量份的浓硫本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用免表面活性剂辅助糖类合成介孔碳材料的方法，其特征在于包括如下步骤：(1)按照重量份比例将25重量份的水，11.5‑23.5重量份的乙醇，6.5‑12.8重量份的正硅酸乙酯(TEOS)，0.32‑0.6重量份的2M盐酸，依次加入到搅拌器中搅拌，得到无色透明的溶液；(2)按照重量份比例将5重量份的蔗糖，0.25‑3重量份的浓硫酸加入到步骤(1)得到的无色透明溶液中，搅拌后将混合液倒入反应釜加热，取出放入烘干装置内进行干燥处理，得到黑色固体；(3)将步骤(2)得到的黑色固体放入碳化炉中碳化，冷却后得到黑色固体；(4)将步骤(3)得到的黑色固体按照重量份比例将1重量份的TEOS投加到12重量份的10％wt的HF酸溶液当中，浸泡、过滤用水冲洗，直至上清液pH不再变化，干燥后筛分，得到蔗糖基介孔碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种利用免表面活性剂辅助糖类合成介孔碳材料的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)按照重量份比例将25重量份的水，11.5-23.5重量份的乙醇，6.5-12.8重量份的正硅酸乙酯
(TEOS)，0.32-0.6重量份的2M盐酸，依次加入到搅拌器中搅拌，得到无色透明的溶液；
(2)按照重量份比例将5重量份的蔗糖，0.25-3重量份的浓硫酸加入到步骤(1)得到的无色透明
溶液中，搅拌后将混合液倒入反应釜加热，取出放入烘干装置内进行干燥处理，得到黑色固体；
(3)将步骤(2)得到的黑色固体放入碳化炉中碳化，冷却后得到黑色固体；
(4)将步骤(3)得到的黑色固体按照重量份比例将1重量份的TEOS投加到12重量份的10％wt
的HF酸溶液当中，浸泡、过滤用水冲洗，直至上清液pH不再变化，干燥后筛分，得到蔗糖
基介孔碳材料。
2.按照权利要求1所述的合成介孔碳材料的方法，其特征在于：碳化的具体过程为，由室温按照5℃/min
的...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋永会，辛旺，彭剑峰，刘瑞霞，
申请(专利权)人：中国环境科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11