[发明专利]一种氧化铜/炭杂化气凝胶材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

    本发明涉及一种氧化铜/炭杂化气凝胶材料及其制备方法，特别涉及一种利用一步溶胶-凝胶法制备的氧化铜/炭杂化气凝胶材料及其应用。

背景技术

气凝胶通常是指以纳米颗粒相互聚集构成的纳米多孔网络为骨架，并在网络骨架孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。纳米材料是上世纪80年代兴起的一种新型材料，其优异的性能引起了世界各国的热切关注，甚至认为会改变我们的生活。纳米尺度指的是1-100nm这个范围，物质在这个尺度下将表现出不同于宏观物质与微观粒子的效应，如：表面效应、量子效应、小尺寸效应、介电限域效应和宏观量子隧道效应。这些效应使得纳米材料在化学、光学、电学、热学和力学等方面具备了许多特殊的性质。目前纳米材料已在陶瓷材料、冶金、超导材料、化工、航空航天、医药和生物工程等领域得到了广泛的应用。气凝胶作为一种纳米材料，除具有一般意义的纳米材料的特性外，还具有一系列优异的性质，如：极高的孔隙率、高比表面积、极低的密度、低的热导率和低的声音传播速率等，在催化、航天、医药、能源、建筑和冶金等方面有着巨大的应用前景。

气凝胶有很多种类，大致可以分为有机气凝胶、无机气凝胶和有机/无机杂化气凝胶。利用溶胶-凝胶法制备的有机/无机杂化材料在陶瓷、高分子化学、无机和有机化学领域吸引了众多研究工作者的兴趣。杂化或复合不仅仅是将材料的某些性质简单加和，更重要的是可能会出现相互协同效应而表现出更好的优良性能。如1985年Wilkes等用溶胶-凝胶法将聚二甲硅氧烷的聚合物/低聚物与硅玻璃杂化，制备出了透明的纳米杂化材料，这种材料拥有别的材料所不具备的独特性质。但对于有机/无机杂化气凝胶的研究则比较少，其中对SiO₂/C杂化气凝胶研究的最多。由于有机/无机杂化气凝胶兼具了有机和无机气凝胶的特点，更能克服单一气凝胶在制备过程中的某些缺点。

随着世界工业的发展、汽车的普及，汽柴油的消费量迅猛增长。而现有商品汽柴油中存在大量含硫化合物，大量使用硫含量较高的汽柴油时产生的尾气对环境有极大的危害。此外，硫含量较高的汽柴油在发动机汽缸内燃烧时对发动机内壁及相关零部件会造成腐蚀，硫化物的存在甚至会使汽车尾气处理装置中的催化剂失活，从而间接导致尾气中氮氧化合物、一氧化碳和二氧化碳等的排放量超标。近些年，人类对环境的重视与日俱增，低硫、超低硫燃油生产技术的研究已成为各国科学家和研究者的兴趣所在。油品中非活性的噻吩类硫化物的脱除成为深度脱硫研究的难点和热点。由于有机/无机杂化气凝胶的特殊结构，可以对分子尺寸选择、酸性位吸附、络合吸附、范德华力、静电引力等作用对噻吩类硫化物的吸附脱除，并且具有操作条件温和，设备简单，费用低等优点。 

氧化铜气凝胶由于其吸附性能优于二氧化硅气凝胶，而且催化活性也很高，因此引起了许多研究学者的关注。

炭气凝胶的可导电性也使得其在许多方面显示出了优良的应用特性。

本发明人将氧化铜和炭杂化得到的氧化铜/炭杂化气凝胶兼有两者的优点之外，由于纳米氧化铜作为脱硫剂用于脱硫已得到十分广泛的应用，而炭材料则因其多孔结构而对含硫大分子有较强的吸附功能，因此氧化铜/炭杂化气凝胶材料将会在燃油脱硫等方面表现出优于单一纳米氧化铜的脱硫性能。

发明内容

本发明的目的之一是为了提供一种氧化铜/炭杂化气凝胶材料。

本发明的目的之二是为了提供上述的一种氧化铜/炭杂化气凝胶材料的制备方法。

本发明的目的之三是为了提供上述的一种氧化铜/炭杂化气凝胶材料在燃油脱硫方面的应用。

本发明的技术方案

一种氧化铜/炭杂化气凝胶材料，即以氯化铜为前驱体，无水乙醇为溶剂，间苯二酚和糠醛为有机相的前驱物，环氧丙烷为网络凝胶的诱导剂，乙酰乙酸乙酯为络合剂，通过一步溶胶-凝胶法制备具有介孔结构、且由无定型炭和氧化铜组成的氧化铜/炭杂化气凝胶材料；

其中所述氯化铜占无水乙醇、间苯二酚、糠醛、环氧丙烷和乙酰乙酸乙酯的总质量分数的5.78~11.29%；

其中环氧丙烷的量按氯化铜与环氧丙烷的摩尔比，即氯化铜：环氧丙烷为1:4~6，优选1:5~6；

其中糠醛和间苯二酚的质量占无水乙醇、间苯二酚、糠醛、环氧丙烷和乙酰乙酸乙酯的总质量百分比为8~10%，且糠醛与间苯二酚的摩尔比，即糠醛：间苯二酚为2：1；

其中乙酰乙酸乙酯的量按氯化铜与乙酰乙酸乙酯的摩尔比计算，即乙酰乙酸乙酯：氯化铜为0.1~1：1，优选为0.6:1；