[发明专利]锌-苯甲酸修饰单壁碳纳米管多孔材料的合成与储存气体应用

说明书

技术领域

本发明涉及锌-苯甲酸修饰单壁碳纳米管杂化多孔材料的合成与储存气体应用。以苯甲酸共价修饰的准一维单壁碳纳米管为有机连接体，以锌为节点，构筑具有更大的比表面积、更多的微孔和介孔孔道及不饱和金属配位位点的锌-苯甲酸修饰单壁碳纳米管杂化多孔材料。该类材料可高效捕集温室气体二氧化碳，同时可以储存氢气。

背景技术

能源是社会发展和日常生活的重要物质基础之一。近年来，一方面，煤、石油、天然气等化石能源的日益枯竭使人类面临“能源危机”。氢能以其燃烧能量密度值很高和燃烧零污染的特点吸引了人们的目光，是一种理想的能源载体。但是目前氢能的利用主要受限于安全有效的存储技术，氢气的储存和运输已经成为氢经济中的瓶颈问题。另一方面，化石能源所造成的环境污染如酸雨、温室效应等，已严重影响了人类的生存与发展。因此，目前碳捕集和储存(Carbon Capture and Storage，CCS)技术成为减排研究的重点，被认为是应对这一挑战的最有效方法之一。碳纳米管(CNT)由于具有比较高的比表面积、大量微孔和介孔，作为潜在的新型气体储存介质的研究一直受到国内外研究者的高度关注。但是，CNT之间具有较大的分子间吸引力，往往成束存在，使得CNT的有效比表面积相对较小，导致CNT作为气体存储材料在工业上大规模的应用受到了很大的影响。

本发明以苯甲酸共价修饰的准一维单壁碳纳米管(SWNT)为有机连接体，以过渡金属为节点，通过修饰后的SWNT上的羧基基团与过渡金属配位，将准一维SWNT拓展到多维基于锌-苯甲酸修饰单壁碳纳米管杂化多孔材料，从而克服SWNT间的范德华力相互作用，使成束的SWNT分开，获得具有更大的比表面积、更多的微孔和介孔孔道及不饱和金属配位位点的锌-苯甲酸修饰单壁碳纳米管杂化多孔材料。可发展成为新型的气体存储材料。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种锌-苯甲酸修饰单壁碳纳米管杂化多孔材料及其合成与储存气体应用。

本发明的目的以下述方案实现：

一种锌-单壁碳纳米管杂化多孔材料，其材料中锌与苯甲酸修饰单壁碳纳米管质量比为1∶4～13，BET比表面积达到1209m²/g，总孔容积1.0901cm³/g。

本发明的锌-苯甲酸修饰单壁碳纳米管杂化多孔材料的制备方法，以苯甲酸共价修饰的准一维单壁碳纳米管为有机连接体，以锌离子为节点，通过苯甲酸修饰的单壁碳纳米管上的羧基基团与锌离子物质的量比为1∶1～3，在溶剂热条件下配位，从而克服单壁碳纳米管(SWNT)间的范德华力相互作用，使成束的SWNT分开，获得更高的比表面积、更多的微孔和介孔孔道及不饱和金属配位位点的锌-苯甲酸修饰单壁碳纳米管杂化多孔材料。

本发明的锌-苯甲酸修饰单壁碳纳米管杂化多孔材料的制备方法，其制备过程依次如下：

1)将物质的量比为1∶2的单壁碳纳米管(SWNT)与对氨基苯甲酸充分混合后，加入二氯甲烷(CH₂Cl₂)，搅拌均匀，使对氨基苯甲酸完全溶解，然后减压浓缩至干；

2)在Ar气氛下，向步骤1)中得到的产物中注入过量的亚硝酸异戊酯，在60℃反应6小时，冷却后加入N，N-二甲基甲酰胺，继续搅拌30分钟，得到的黑色产物；

3)将步骤2)中得到的黑色产物离心抽滤，分别用N，N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷、丙酮洗涤至滤液无色，产品经真空干燥过夜，获得苯甲酸共价修饰的准一维单壁碳纳米管(SWNT-PhCOOH)；

4)将步骤3)中得到的苯甲酸共价修饰的准一维单壁碳纳米管在N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中超声波处理3小时，超声波功率为50W；

5)将在N，N-二甲基甲酰胺中超声波处理的苯甲酸共价修饰的准一维单壁碳纳米管与Zn(NO₃)₂·6H₂O按物质的量比1∶1～3混合，室温搅拌12小时后转入密封容器，在105℃保持36～72小时后，降到室温，抽滤，用除了水的乙醚洗涤，固体经真空干燥过夜，即获得锌-苯甲酸修饰单壁碳纳米管杂化多孔材料。

本发明的一种锌-苯甲酸修饰单壁碳纳米管杂化多孔材料的应用，其特征在于，用于捕集温室气体二氧化碳(CO₂)，在195K、1atm条件，该材料对CO₂的吸附量为195cm³g^-1。