一种固体酸催化剂、泡沫结构碳材料及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种固体酸催化剂、泡沫结构碳材料及制备方法，属于多孔碳材料技术领域，解决了现有生物质热解用催化剂催化效率低及无法对生物质热解油全组分利用以制备泡沫结构碳材料的前体材料的问题。该泡沫结构碳材料的制备方法包括：步骤1、将生物质原料粉碎干燥后与固体酸催化剂混合；步骤2、将混合物置于液化反应器中，收集生物质催化热解液化产物即生物质热解油；步骤3、向热解生物质热解油依次加入苯酚、甲醛和海藻酸钠以形成混合物；步骤4、向混合物中加入Span‑20与液体石蜡形成微乳悬浮体系，加热固化成型；步骤5、将成型产物进行热处理。该泡沫结构碳材料能够应用于热能存储、高性能电极与传感材料、气体吸附碳分子筛及隔音减震材料。

【技术实现步骤摘要】
一种固体酸催化剂、泡沫结构碳材料及制备方法
本专利技术涉及多孔碳材料
，尤其涉及一种固体酸催化剂、泡沫结构碳材料及制备方法。
技术介绍
生物质是把光能以化学能形式存储起来的有机物质，其主要的组成包括：半纤维素，纤维素，和木质素。人类使用木炭的历史可以上溯几千年前，现今生物质材料也是生产活性炭的主要原料。生物质资源是地球上储量最为丰富的可再生碳资源，但其形式多样，成分相对复杂，如果将其作为制备现今碳材料的前驱体，必须对生物质原料进行均一化处理。生物质资源均一化处理目前的技术主要采用热化学转化过程：气化过程和液化过程，气化过程主要将生物质原料转化为合成气然后以合成气为原料制备各种基础化学品。生物质液化主要通过催化快速热解过程转化为液态富碳的生物质热解油。生物质热解油具有较高的燃烧热(17MJ/kg)，其几乎不含有硫和氮，但其成份很复杂，化合物种类超过160种，另外其含氧量超过30％，pH值在2.5左右。通过催化热解的过程，可以有效地控制生物热解的过程和方向，可以集中的得到同一类化合物。经过催化热解过程，可以目标性地得到一些化合物，这使得生物质热解油可以用于生产高附加值的基础化学品。生物质催化快速热解液化的过程的研究还处在起步阶段，国内外的研究主要还集中在单步过程。生物质催化快速热解液化的催化剂为固体酸，例如：硅铝分子筛，硫酸化氧化物，复合氧化物等。生物质催化热解需要更深入研究具有实际应用价值的催化体系及催化过程，这些问题的解决有利于得到具有更高附加值的生物质热解产品。
技术实现思路
r>鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种固体酸催化剂、泡沫结构碳材料及制备方法，用以解决现有生物质热解用催化剂催化效率低以及无法对生物质热解油全组分利用以制备泡沫结构碳材料的前体材料的问题。本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：一方面，本专利技术公开了一种固体酸催化剂，固体酸催化剂为锡改性高岭石，锡改性高岭石中锡的负载量为高岭石质量的5～10％。另一方面，本专利技术还公开一种固体酸催化剂的制备方法，用于制备上述的锡改性高岭石，该制备方法包括以下步骤：步骤1’、将粒度为300～800目的高岭石粉末分散于结晶氯化锡溶液中形成悬浮混合物；步骤2’、向悬浮混合物滴加氨水，氨水质量为悬浮混合物质量的1.2～4.8％，将悬浮混合物静置0.5～2.0h，过滤分离出固体；步骤3’、将固体在空气中干燥，然后在500～700℃的空气中煅烧1.0～2.0h，得到锡改性高岭石。进一步地，在步骤1’的悬浮混合物中，高岭石粉末的质量分数为10～20％，结晶氯化锡的质量分数为1.5～6％。再一方面，本专利技术还公开了一种泡沫结构碳材料的制备方法，采用上述的固体酸催化剂或上述方法制备的固体酸催化剂，包括以下步骤：步骤1、将生物质原料粉碎干燥后与固体酸催化剂混合，形成混合物；步骤2、将混合物置于温度为420℃～550℃的液化反应器中，通过生物质催化热解液化得到生物质热解油；步骤3、向生物质热解油中依次加入苯酚、甲醛以及海藻酸钠，形成混合物；步骤4、向步骤3中的混合物中加入山梨糖醇酐单月桂酸酯与液体石蜡，形成微乳悬浮体系，将微乳悬浮体系进行加热固化成型，得到成型产物；步骤5、将成型产物在惰性气体中进行热处理。进一步地，在步骤1中，固体酸催化剂的使用量为生物质原料质量的15～30％。进一步地，在步骤2中，生物质原料和固体酸催化剂在液化反应器中的反应时间为1～10min。进一步地，在步骤3中，苯酚的加入量为所用生物质热解油质量的5～20％，甲醛溶液的加入量为所用生物质热解油质量的5.2～27％。进一步地，在步骤3中，海藻酸钠的加入量为生物质热解油质量的0.6～1.8％。进一步地，在步骤4中，山梨糖醇酐单月桂酸酯的加入量为所用生物质热解油质量的0.8～1.8％，液体石蜡的加入量为所用生物质热解油质量的2～8％。进一步地，在步骤5中，成型产物在惰性气体中的热处理温度为850～1000℃，热处理时间为0.5～1.5h。在一方面，本专利技术还公开了一种泡沫结构碳材料，利用上述泡沫结构碳材料的制备方法，该泡沫结构碳材料的比表面积为927～1385m2/g，泡孔直径为2.5～8.5μm。与现有技术相比，本专利技术至少可实现如下有益效果之一：(1)在制备泡沫结构碳材料的原料上，本专利技术以可再生生物质资源作为碳源，生物质资源是地球上储量最为丰富的可再生碳资源，但其形式多样，成分相对复杂，如果将其作为制备现今碳材料的前驱体，必须对生物质原料进行均一化处理。通过催化热解的过程，可以有效地控制生物热解的过程和方向，可以集中的得到同一类化合物。经过催化热解过程，可以目标性地得到一些化合物，这使得生物质热解油可以用于生产高附加值的基础化学品。本专利技术以锡改性高岭石(改性层状硅铝复合氧化物)为固体酸催化剂，催化生物质原料热解液化得到富碳的生物质热解油。(2)本专利技术使用的生物质原料通过锡改性高岭石固体酸催化剂的高效液化催化剂实现均一化，该催化剂催化转化的温度低，反应接触时间短(1～10min)，过程效率高，从而有效避免通常催化液化过程中常见的结焦碳化现象。(3)本申请对生物质热解油采用全组分利用，利用苯酚、甲醛和海藻酸钠直接对生物质热解油进行树脂化衍生使其成为适合于制备泡沫结构碳材料的前体材料，然后利用山梨糖醇酐单月桂酸酯(Span-20)与液体石蜡微乳悬浮体系形成泡沫结构，再对此泡沫结构的前提材料进行可控碳化而制得泡沫结构碳材料。(4)在制备的泡沫结构碳材料的性能上，本专利技术制备泡沫结构碳材料具有较高的比表面积(表面积为927～1385m2/g)，尺寸均一的大孔隙开放结构(泡孔直径为2.5～8.5μm)，以及大泡孔-微孔的多级孔结构。由于泡沫结构碳材料特殊的孔隙特性与开放结构，使其具有其他碳材料不具备的轻质，高热稳定性，高导热与导电性。本专利技术制备的泡沫结构碳材料能够广泛应用于热能存储，高性能电极与传感材料，气体吸附碳分子筛，电磁波吸收，隔音减震材料。本专利技术中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。附图说明附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。图1为实施例1中速生落叶松木原料制备样品表征结果；图2为锡在高岭石表面有效锚定的煅烧过程中涉及的化学过程式。具体实施方式下面结合附图来具体描述本专利技术的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本专利技术的实施例一起用于阐释本专利技术的原理，并非用于限定本专利技术的范围。一方面，本专利技术提供了一种固体酸催化剂，固体酸催化剂为锡改性高岭石，锡改性高岭石本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固体酸催化剂，其特征在于，所述固体酸催化剂为锡改性高岭石，所述锡改性高岭石中锡的负载量为高岭石质量的5～10％。/n

【技术特征摘要】
1.一种固体酸催化剂，其特征在于，所述固体酸催化剂为锡改性高岭石，所述锡改性高岭石中锡的负载量为高岭石质量的5～10％。


2.一种固体酸催化剂的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1所述的锡改性高岭石，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1’、将粒度为300～800目的高岭石粉末分散于结晶氯化锡溶液中形成悬浮混合物；
步骤2’、向悬浮混合物滴加氨水，氨水质量为悬浮混合物质量的1.2～4.8％，将悬浮混合物静置0.5～2.0h，过滤分离出固体；
步骤3’、将固体在空气中干燥，然后在500～700℃的空气中煅烧1.0～2.0h，得到锡改性高岭石。


3.根据权利要求2所述的固体酸催化剂的制备方法，其特征在于，在步骤1’的悬浮混合物中，高岭石粉末的质量分数为10～20％，结晶氯化锡的质量分数为1.5～6％。


4.一种泡沫结构碳材料的制备方法，其特征在于，采用权利要求1所述的固体酸催化剂或权利要求2制备的固体酸催化剂，包括以下步骤：
步骤1、将生物质原料粉碎干燥后与固体酸催化剂混合，形成混合物；
步骤2、将混合物置于温度为420℃～550℃的液化反应器中，通过生物质催化热解液化得到生物质热解油；
步骤3、向生物质热解油中依次加入苯酚、甲醛以及海藻酸钠，形成混合物；
步骤4、向步骤3中的混合物中加入山梨糖醇酐单月桂酸酯与液体石蜡，形成微乳悬浮体系...

【专利技术属性】
技术研发人员：李峰波，袁国卿，宋延林，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11