新型三维层状分级介孔碳材料及其制备方法技术

本发明专利技术提出了一种具有层状结构的三维分级介孔碳(3D LHC)材料的制备方法。该方法主要基于一种层状硅酸盐RUB

【技术实现步骤摘要】
新型三维层状分级介孔碳材料及其制备方法


本专利技术涉及水处理净化
，具体涉及一种基于层间限域合成策略制备的三维层状分级介孔碳材料。

技术介绍

近年来，随着工业化快速发展和人民生活水平的大大提升，人们对于各类商品的需求呈现爆炸式增长。不过，随之而生的化学品的大量制造和不当使用也对环境方面带来较为严重的负面影响，尤其是水体环境。有机物污染是水体污染中较为严重的一类，主要来源于印染、橡胶、纺织、炼油炼焦等工业废水排放及城市固体废弃物处理。这类工业废水及垃圾渗滤液中通常包含有许多有毒有害污染物，诸如用于染色的有机染料以及塑料制品中常用的双酚A等，这些污染物对人体健康及水体生物生态有着较为严重的威胁，已被环保部门列为重点治理对象。对于如何有效的去除水体中有机污染物，已有科研工作进行了许多探索，其中诸如膜过滤、吸附、高级氧化、生物转化等先进技术被认为是较为有效的处理方法。吸附法由于其操作简单、经济、高效的特性而被广泛应用。吸附剂是吸附法的核心，有着良好的结构和丰富活性吸附位点的吸附剂能够更加高效去除污染物。碳基吸附材料是其中被重点研究的对象之一。碳基材料，诸如活性炭、碳纤维、石墨烯等，一般具有良好的热稳定性和化学稳定性，适用于许多环境体系，同时其本身具有一定的比表面积和少量的官能团，对于水体污染的净化处理有较大的应用前景，而且其本身的经济实用性有利于大量制备并应用到实际水处理中。传统碳基吸附剂，比如活性炭、生物炭，主要是通过对动植物等生物质或者有机聚合物隔绝空气碳化而得到的。由于其吸附量有限，有研究通过进一步的活化能得到具有多孔大比表面积的结构，促进吸附效果的提升。不过，受限于原料本身的结构特征和身有限的活性位点，许多传统碳基吸附剂对有机污染物的处理效果依旧有限，吸附选择性较差。基于此，本专利技术基于一种层状硅酸盐RUB
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15的结构限域作用设计构建了一种具有层状结构的三维分级介孔碳材料，制备过程中利用限氧低温煅烧的方式，赋予所得碳材料丰富的表面活性基团，从而获得了一种具有高吸附量、良好的循环利用性和选择性的吸附材料。

技术实现思路

本专利技术的目的是提供一种新型三维层状分级介孔碳(3D LHC)材料及其制备方法。针对传统碳材料结构的设计性不足、吸附性能有限的问题，本专利技术基于层间限域合成策略提出了新型制备方法，设计并构建制备出一种具有规整层状堆叠结构的碳材料，所得碳材料可作为吸附剂有效去除水中有机污染物。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种三维层状分级介孔碳材料的制备方法，其包括：
第一步，层状硅酸盐模板RUB
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15的制备；第二步，插层包覆；第三步，限氧碳化；第四步，模板去除。所述第一步进一步具体为取四甲基氢氧化铵与硅酸四乙酯混合于烧杯中，室温下匀速搅拌过夜形成均一混合液。随后转移至反应釜中，加热至反应温度进行反应，待冷却至室温后，将所得产物纯化即可得层状硅酸盐RUB
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15。所述四甲基氢氧化铵与所述硅酸四乙酯的质量比为1：1～2：1。所述反应温度优选为140～160℃，反应时间优选为7
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14天。所述第二步将第一步制备的层状硅酸盐RUB
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15分散于多巴胺溶液中，加入适量碱性缓冲溶液调节体系pH，促进反应进行，反应结束后纯化处理，即可得聚多巴胺包覆的材料PDA@RUB
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15。所述多巴胺与层状硅酸盐RUB
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15的质量比为1：1～2：1。所述多巴胺溶液浓度为0.05～0.1g/mL。所述体系pH范围为8～9。所述纯化处理方式为离心后超纯水洗涤至上清液澄清无色透明。所述第三步进一步具体为取上述新制的PDA@RUB
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15粉末置于坩埚中，以锡箔纸简单包覆形成限氧氛围，在马弗炉中加热至反应温度进行反应，待冷却至室温后，研磨至粉末状，得到碳包覆的层状硅复合材料Carbon@Silicon template。所述第四步进一步具体为取上述所得Carbon@Silicon template分散于预制的氢氧化钠溶液中刻蚀除去模板，反应结束后，经分离纯化干燥即可得到三维层状分级介孔碳材料3D LHC。本专利技术还提供采用上述方法制备的一种三维层状分级介孔碳材料。本专利技术还提供上述三维层状分级介孔碳材料3D LHC的使用方法，其包括：第一步，将三维层状分级介孔碳材料3D LHC混合到一定浓度的有机污染物中，超声分散，在设定温度霞匀速震荡，进行吸附反应；第二步，将吸附后材料分散于丙酮中，搅拌，过滤，得到可再生吸附剂。本专利技术的有益效果1、本专利技术采用盐酸多巴胺为碳源，辅以具有层状结构的片状材料为模板，通过简单的限氧煅烧、模板刻蚀后即可得到同样具有层状结构的片状碳材料。盐酸多巴胺价格低廉，用途广泛，且能够适用于多种形貌碳材料的涉及构建。2、本专利技术所述制备过程较为简单，无需特种气氛和设备，所需煅烧温度较低，耗能低，对有机染料有显著吸附性能。3、本专利技术提供的3D LHC具有显著的层状堆叠介孔结构，层间通道和孔道结构提供了更多的吸附位点；此外得益于聚多巴胺本身的基团以及限氧煅烧得到的含氧官能团，使得吸附剂表面呈电负性，对具有相反电荷的亚甲基蓝和罗丹明B等阳离子染料具有更优异的吸附能力。
附图说明
图1为所得三维层状分级介孔碳材料3D LHC的(A
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B)扫描电子显微镜(SEM)和(C
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D)透射电子显微镜(TEM)及(E)元素分布(mapping)图；图2为对照组体相碳材料Bulk PDA carbon的(A
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B)扫描电子显微镜(SEM)和(C
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D)透射电子显微镜(TEM)图；图3为3D LHC与对照组RUB
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15,PDA@RUB
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15,Carbon@Silicon template,Bulk PDA carbon的(A)傅里叶变换红外光谱(FT
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IR)和(B)3D LHC的FT
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IR放大图；图4为3D LHC的(A)氮气吸附脱附等温线(BET)图，(B)BJH方法拟合得到的孔径分布，(C)X
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射线衍射图谱以及(D)热失重曲线；图5(A)为3D LHC的EDX能谱图，(B
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D)分别为3D LHC与对照组RUB
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15,PDA@RUB
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15,Carbon@Silicon template,Bulk PDA carbon的BET，XRD，TGA图；图6为3D LHC的(A)X射线光电子能谱(XPS)，(B)C1s精细谱图，(C)O1s精细谱图，(D)N1s精细谱图；图7(A)是3D LHC与对照组RUB
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15,PDA@RUB
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15,Carbon@Silicon template,Bulk PDA carbon对罗丹明B的吸附量与时间变化的曲线，(B)是3D LHC的吸附动力学模型拟合曲线图；图8(A)是温度对3D LHC吸附量的影响曲线及(B)是对应的吸附热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维层状分级介孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括：第一步，层状硅酸盐RUB
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15模板的制备；第二步，插层包覆；第三步，限氧碳化；第四步，模板去除。2.如权利要求1所述三维层状分级介孔碳材料的制备方法，其特征在于：所述第一步进一步具体为取四甲基氢氧化铵与硅酸四乙酯混合于烧杯中，室温下匀速搅拌过夜形成均一混合液。随后转移至反应釜中，加热至反应温度进行反应，待冷却至室温后，将所得产物纯化即可得层状硅酸盐RUB
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15。3.如权利要求2所述三维层状分级介孔碳材料的制备方法，其特征在于：所述四甲基氢氧化铵与所述硅酸四乙酯的质量比为1：1～2：1。4.如权利要求2所述三维层状分级介孔碳材料的制备方法，其特征在于：所述反应温度优选为140～160℃，反应时间优选为7
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14天。5.如权利要求1所述三维层状分级介孔碳材料的制备方法，其特征在于：所述第二步将第一步制备的层状硅酸盐RUB
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15分散于多巴胺溶液中(0.05～0.1g/mL)，加入适量碱性缓冲溶液调节体系pH至8
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9，促进反应进行，反应结束后，通过离心后超纯水洗涤至上清液澄清无色透明，即可得聚多巴胺包覆的材料PDA@RUB...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄强，陈哲，金爽，李洪基，李婧婧，陈奕倩，张亮，韩丹丹，郑金池，罗源，
申请(专利权)人：国家电网有限公司国网新疆电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：