一种生物质焦油衍生碳基材料功能化的方法技术

本发明专利技术公开了一种生物质焦油衍生碳基材料功能化的方法，以生物质焦油衍生碳为碳基材料，选择无腐蚀性且不会产生危废的温和功能化试剂，针对生物质焦油衍生碳基材料在催化领域的应用，采用不同种类和浓度的功能试剂对其进行负载、枝接等功能位点引入处理，实现金属、酸碱位点、官能团等特定功能位点的均匀高负载和比例调控，完成生物质焦油衍生碳基材料改性。完成生物质焦油衍生碳基材料改性。完成生物质焦油衍生碳基材料改性。

【技术实现步骤摘要】
一种生物质焦油衍生碳基材料功能化的方法


[0001]本专利技术涉及生物质焦油利用及碳材料制备
，具体涉及一种生物质焦油衍生碳基材料功能化的方法，是一种生物质焦油衍生碳材料负载金属和/或接枝官能团的方法。

技术介绍

[0002]生物质气化过程中，生物质中的纤维素、半纤维素和木质素会热分解生成生物质焦油。生物质焦油是一种由芳香烃及其衍生物和多环芳烃组成的复杂化合物，可以分析到的组分就达100多种，还有很多成分难以确定。生物质焦油处理难度大是制约生物质气化技术商业化发展的决定性因素之一。利用生物质焦油具有富含碳元素和丰富的芳族基团的特点，可以将其作为各种碳纳米材料的碳源，选择性合成不同形貌和结构的碳材料。生物质焦油制备碳纳米材料的思路大体可以分为“固
‑
固
‑
固”和“固
‑
气
‑
固”两种。常用方法包括：热解法、化学气相沉积(CVD)、循环氧化法、机械活化法、燃烧法等。针对生物质焦油的理化性质，将其转化为形貌、性能各异的碳材料，不仅是一条新的生物质焦油高附加值应用途径，还是提供了一种高效，清洁，经济，工艺简单且可以保留焦油本身能量和性质的处理方法。
[0003]碳材料，尤其是多孔碳(PC)、碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维(CNF)和石墨烯，由于具有适用性广、耐酸碱性稳定、吸附性能优良等优异的性能，在能源、环境、催化等领域发挥着重要的应用。不过制备碳纳米材料的原料多数来源于不可再生的化石燃料，例如甲烷、乙烯、苯等，这在一定程度上限制了碳纳米材料的可持续发展，并带来环境和资源问题。因此，研究者们逐渐将焦点聚焦于从可再生和可广泛获得的生物质能源中获取高价值的碳材料。近年来，一系列以葡萄糖，果糖等单糖为碳源，到木质素和纤维素材料再到到以真实生物质及其废弃物为碳前驱体等一些系列生物质衍生的碳材料在诸多领域成功取代了化石基碳材料。
[0004]与其他常规的碳材料相比，生物质焦油衍生碳材料具有原料来源广泛、价格低廉、和功能、结构、形貌可控等无可比拟优势，极具发展潜力。但是原生碳材料本身性质仍具有不足之处，如表面化学惰性强，润湿性差等，通常无法满足应用要求，限制了其进一步发展。需要通过对其进行功能化修饰或改性，从而进一步提高碳材料的物理和化学性能，拓宽其应用范围。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的是提供一种生物质焦油衍生碳基材料功能化的方法，包括在所述碳材料上负载金属类颗粒和接枝官能团两方面。以生物质焦油衍生碳为碳基材料，针对不同的目标反应，采用不同种类和浓度的功能试剂对其进行负载、枝接等功能位点引入处理，实现碳材料的功能化。该方法能够显著增加原生碳材料表面的活性位点，调控其酸碱性。同时相较于浓硫酸和发烟硫酸等，本专利技术使用温和的酸碱功能化试剂，具有操作简单、无腐蚀性、安全性高和不产生危废等优势。
[0006]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0007]一种生物质焦油衍生碳基材料功能化的方法，包括金属负载和/或官能团接枝；
[0008]所述负载金属的方法包括以下步骤：
[0009]步骤(1)：将生物质焦油衍生碳基材料与活化剂混合，滴加羧酸试剂调节溶液pH至酸性，搅拌均匀后用去离子水反复过滤至滤液呈中性，将洗涤后的产物真空干燥；其中生物质焦油衍生碳基材料与活化剂用量比为1g：30～60ml；
[0010]步骤(2)：在有/无辅助试剂条件下，将能够与活化碳基材料上官能团形成共价键和/或离子键的金属化合物或类金属化合物与步骤(1)活化后的生物质焦油衍生碳基材料混合，连续搅拌均匀后过滤并洗涤；其中生物质焦油衍生碳基材料与金属化合物或类金属化合物的质量比为1：0.01～0.3；若使用辅助试剂，金属化合物或类金属化合物与辅助试剂用量比为1g：2～10ml。
[0011]步骤(3)：将步骤(2)洗涤后的固体转移至石英舟中，并置于通入氢气和/或氮气的管式炉中煅烧4～8h，冷却后将干燥的固体物质取出，研磨过筛后置于干燥器中保存，即得到金属负载的生物质焦油衍生碳基材料；
[0012]所述官能团接枝的方法包括以下步骤：
[0013]步骤(1)：将生物质焦油衍生碳基材料与活化剂混合，缓慢滴加羧酸试剂调节溶液pH至酸性，搅拌均匀后用去离子水反复过滤至滤液呈中性，将洗涤后的产物真空干燥；其中生物质焦油衍生碳基材料与活化剂用量比为1g：30～60ml；
[0014]步骤(2)：将步骤(1)获得的产物与酸碱功能化试剂混合均匀，随后蒸发水分获得粘稠状或胶状液体；其中产物与酸碱功能化试剂用量质量比为1：5～15；
[0015]步骤(3)：将步骤(2)获得的粘稠状或胶状液体转移至石英舟中，并置于通入氮气保护的管式炉中煅烧2～6h，冷却后将干燥的固体物质取出，研磨过筛后置于干燥器中保存，即得到表面接枝官能团的生物质焦油衍生碳基材料。
[0016]所述负载金属的方法中的生物质焦油衍生碳基材料为生物质焦油衍生的活性炭、炭黑、碳纳米管、三维碳分子筛、碳球、二维有序多孔碳、氮掺杂碳中的一种。
[0017]所述官能团接枝的方法中的生物质焦油衍生碳基材料为生物质焦油衍生的活性炭、炭黑、碳纳米管、三维碳分子筛、碳球、二维有序多孔碳、氮掺杂碳以及负载金属的方法中制备的金属负载的生物质焦油衍生碳基材料。
[0018]所述负载金属的方法和官能团接枝的方法中的活化剂是过氧化氢、高锰酸钾、次氯酸钠中的一种或多种，活化剂能使生物质焦油衍生碳基材料表面出现更多的缺陷位点，有利于负载更多的活性基团，同时还通过极性和电负性增强生物质焦油衍生碳基材料与羟基、羧基的连接的稳定性，提高材料的使用寿命。
[0019]所述负载金属的方法和官能团接枝的方法中的羧酸为羟基羧酸、二羧酸的一种或他们的任意组合，羧酸试剂作用是增加生物质焦油衍生碳基材料表面的含氧官能团，并为进一步功能化基团接枝提供氧锚点。
[0020]所述辅助试剂为在水溶液中能解离出H
+
的具有水解作用的试剂一种或组合。
[0021]所述金属负载的方法是在碳材料上形成金属、金属氧化物、类金属和类金属氧化物中的一种或组合的纳米颗粒，所述金属为具有化学活性金属中的一种或任意组合。
[0022]所述酸碱功能化试剂为能够产生酸碱性官能团的试剂，具体为磺化试剂、磷酸化
试剂、杂多酸中的一种；所述酸碱功能化试剂的作用是调控材料表面物理或化学性质，从而实现碳材料的功能化；所述的产物与酸碱功能化试剂混合均匀方式为机械混合、超声波混合或恒温水浴振荡。
[0023]使用旋转蒸发仪或干燥箱在80
‑
90℃下加热适当时间实现所述蒸发水分目的。
[0024]所述负载金属的方法和官能团接枝的方法中的煅烧为在低于所述生物质焦油衍生碳基材料的热分解温度下进行，升温速率为1～3℃/min。
[0025]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：
[0026](1)本专利技术以廉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物质焦油衍生碳基材料功能化的方法，其特征在于：包括金属负载和/或官能团接枝；所述负载金属的方法包括以下步骤：步骤(1)：将生物质焦油衍生碳基材料与活化剂混合，滴加羧酸试剂调节溶液pH至酸性，搅拌均匀后用去离子水反复过滤至滤液呈中性，将洗涤后的产物真空干燥；其中生物质焦油衍生碳基材料与活化剂用量比为1g：30～60ml；步骤(2)：在有/无辅助试剂条件下，将能够与活化碳基材料上官能团形成共价键和/或离子键的金属化合物或类金属化合物与步骤(1)活化后的生物质焦油衍生碳基材料混合，连续搅拌均匀后过滤并洗涤；其中生物质焦油衍生碳基材料与金属化合物或类金属化合物的质量比为1：0.01～0.3；若使用辅助试剂，金属化合物或类金属化合物与辅助试剂用量比为1g：2～10ml。步骤(3)：将步骤(2)洗涤后的固体转移至石英舟中，并置于通入氢气和/或氮气的管式炉中煅烧4～8h，冷却后将干燥的固体物质取出，研磨过筛后置于干燥器中保存，即得到金属负载的生物质焦油衍生碳基材料；所述官能团接枝的方法包括以下步骤：步骤(1)：将生物质焦油衍生碳基材料与活化剂混合，缓慢滴加羧酸试剂调节溶液pH至酸性，搅拌均匀后用去离子水反复过滤至滤液呈中性，将洗涤后的产物真空干燥；其中生物质焦油衍生碳基材料与活化剂用量比为1g：30～60ml；步骤(2)：将步骤(1)获得的产物与酸碱功能化试剂混合均匀，随后蒸发水分获得粘稠状或胶状液体；其中产物与酸碱功能化试剂用量质量比为1：5～15；步骤(3)：将步骤(2)获得的粘稠状或胶状液体转移至石英舟中，并置于通入氮气保护的管式炉中煅烧2～6h，冷却后将干燥的固体物质取出，研磨过筛后置于干燥器中保存，即得到表面接枝官能团的生物质焦油衍生碳基材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述负载金属的方法中的生物质焦油衍生碳基材料为生物质焦油衍生的活性炭、炭黑、碳纳米管、三维碳分子筛、碳球、二维有序多孔碳、氮掺杂碳中的一种。3.根据权利要求1所述的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭洋，李奇，崔欣宇，郑力潇，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：