[发明专利]胺基改性SiO2气凝胶材料及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种胺基改性SiO₂气凝胶材料，即一种新型改性SiO₂气凝胶材料的制备方法，并用于CO₂气体吸附，属于SiO₂气凝胶材料的一种新的改性技术以及新的应用。

背景技术

目前用于CO₂吸附的主要材料主要分为溶剂吸收和固体材料吸附。溶剂吸收主要通过醇胺溶液吸收，吸收容量高，但存在能耗大，吸收循环效率偏低，二次污染等缺点。固体材料吸附是最近研究的重点，主要利用多孔材料吸附，如活性炭、介孔SiO₂分子筛以及最新出现的金属有机框架(MOFs)等。这类固体材料具有大的比表面积，属于介孔和微孔材料等。

SiO₂气凝胶是一种新型的结构可控的多孔材料，其具有大比表面积(最高达1000m²/g)、高孔隙率(最高可达90％以上)、低密度(最低达0.02g/cm³)等特点，已经在多个研究领域得到了广泛的应用。目前SiO₂气凝胶在吸附领域的主要使用疏水改性剂对气凝胶表面进行疏水改性，应用在有机气体或溶剂的吸附领域，吸附效率及吸附容量为同等质量活性的10倍以上，且吸附循环性能良好。疏水改性的制备方法主要有两种方法，后期改性及原位聚合，制备工艺已较为成熟。

发明内容

本发明的目的是针对SiO₂气凝胶多孔、比表面积高等特点，提供了一种对SiO₂的新型改性，得到了一种新型的胺基改性SiO₂气凝胶；该材料具有纳米尺寸孔径、比表面积高且孔体积大等特点，对常温常压下吸附CO₂效果显著，循环稳定性高；本发明的另一目的还提供了上述胺基改性SiO₂气凝胶在CO₂吸附中的应用。

本发明的技术方案为：目前对SiO₂气凝胶的运用主要是用于隔热、催化剂载体以及有机溶剂或有机气体的吸附。在吸附领域中，主要通过对SiO₂气凝胶进行表面疏水改性，改性剂主要分为甲基三乙氧基硅烷，三甲基氯硅烷等，改性后的SiO₂气凝胶对有机物质的吸附量是活性炭的10倍左右。本发明主要是对SiO₂气凝胶进行表面胺基改性并用于CO₂吸附，是气凝胶材料的一种新的改性方式及新领域的应用。其主要思路是，首先制备出具有较大孔径的SiO₂湿凝胶，在一定条件下加入胺基改性剂实现湿凝胶表面的胺基改性，最后采用乙醇超临界获得块状的胺基改性SiO₂气凝胶。

本发明的具体技术方案为：一种胺基改性SiO₂气凝胶材料，其特征在于由以下具体步骤制备：

(1)制备SiO₂湿凝胶

将正硅酸四乙酯(TEOS)，无水乙醇，水及催化剂按摩尔比为1∶7～18∶2～6∶0.0005～0.002混合，并搅拌水解0.5～2小时，水解温度为25～65℃；加入碱性催化剂，调节溶液pH值为6～8，静置获得SiO₂湿凝胶；

(2)胺基改性溶液的配制

按胺基硅烷与无水乙醇或甲醇按体积比为1∶2～12混合得胺基改性溶液；混合时，将醇溶液搅拌，同时加入胺基硅烷溶液；

(3)胺基改性SiO2湿凝胶的制备

将步骤(1)制备得到的SiO₂溶胶静置凝胶，在凝胶点后1～7小时加入步骤(2)所配制的胺基改性溶液；其中胺基改性溶液的加入量按照胺基硅烷与正硅酸四乙酯(TEOS)的摩尔比为1∶1～10控制；在25℃～70℃之间改性4～10天；倒出用于改性SiO₂湿凝胶所用的改性剂溶液，加入无水乙醇溶液进行溶剂置换，置换温度为25℃～70℃；直至上层置换液pH值为6～8，由此得到胺基改性SiO₂湿凝胶；

(4)胺基改性SiO₂气凝胶的干燥

将步骤(3)中获得的胺基改性SiO₂湿凝胶采用乙醇超临界干燥，得到胺基改性SiO₂气凝胶材料；其中超临界干燥温度为250℃～275℃，压力为9MPa～13MPa。