[发明专利]一种聚苯胺碳纳米管基含氮多孔碳纳米复合材料制备方法

说明书

本发明公开了一种聚苯胺/碳纳米管基含氮多孔碳纳米复合材料的制备方法，可实现CO2气体吸附分离。本发明以多壁碳纳米管为基底，采用混酸对其进行氧化，生成易溶于溶液的带羧基多壁碳纳米管，通过苯胺单体发生原位化学氧化聚合反应，使得聚苯胺包覆在多壁碳纳米管表面，生成同轴包覆的聚苯胺/多壁碳纳米管纳米复合材料，最后通过一步活化法高温焙烧生成同轴包覆的含氮多孔碳纳米复合材料。与传统固态吸附剂相比，该复合材料具有高比表面积、高孔隙率、热稳定性好、可吸附CO2气体且再生能耗低、吸脱附循环性能极佳、原料易得、成本低等优势，是一种高效、环保的新型固态吸附剂，因此更具有良好的应用前景和环境治理效益。

技术领域

本发明属于纳米材料和气体吸附分离工程技术领域，本发明公开一种聚苯胺/碳纳米管基含氮多孔碳纳米复合材料制备方法。

背景技术

能源与环境是当今世界两大主题。化石能源（主要为煤、天然气）的大量使用，促使了一个急速发展的工业化时代，例如发电厂、石油化工、钢铁行业等。同时，以CO2为主的温室气体的大量排放，会产生“温室效应”而导致全球气候变暖，进而引发冰川融化、海平面上升、土地沙漠化等极端事件，影响人类的生存环境及生活。因此，缓解温室气体给人类带来的巨大压力，关键在于对化石能源产生的CO2进行捕集及封存，这也是工业研究的热点。

目前工业上捕集CO2的方法主要分为：溶剂吸收法、膜分离法、固体吸附法以及几种方法联合使用等。溶剂吸收法包括物理吸收法和化学吸收法，其中物理吸收法适用于CO2分压较高的情况，但对CO2的脱除率较低；化学吸收法主要用链状醇胺做吸收溶剂，技术已相当成熟，但是易引起设备腐蚀且再生能耗高。膜分离法成本低、易于合成、分离性能高，但受到自身性质的限制，易老化、污染，不易清洗。固体吸附法指的是利用固体吸附剂对CO2进行吸附分离的方法，也是一种极具应用前景的新型CO2吸附分离方法，主要分为物理吸附和化学吸附，以活性炭、分子筛等为例的物理吸附剂，其吸附热较低，多应用于低温吸附，随着温度的升高，吸附性能降低明显且对CO2吸附的选择性不高；水滑石类化合物及其他氧化物能与CO2发生化学反应的化学吸附剂，虽对CO2有极高的选择性，但在脱附时存在再生性能差、耗能高等缺点。因此，一类具有较高比表面积、较大孔容且吸附性能良好的碳基固体吸附剂更加具有竞争力。

碳基吸附剂作为一种新型且具有良好应用前景的固体吸附剂，其成本低、易合成、物理化学性质稳定、再生能耗低、吸附速率快，受到国内外很多学者和研究人员的青睐。目前已有很多与CO2吸附相关的碳基材料报道，包括活性炭纤维、有序多孔碳材料、石墨烯等，而且吸附效果良好，如T. Liang等（Langmuir 2016, 32, 8042−8049），M. E. Casco等（Carbon, 67 (2014) 230 – 235）和专利CN101890340A等。碳基吸附剂大部分为固态胺吸附剂和含氮聚合物吸附剂等。固态胺吸附剂一般通过接枝法、浸渍法将有机胺或者氨基聚合物修饰到多孔碳基材料上，通过胺与CO2发生化学反应来提高CO2吸附量；含氮聚合物一般会通过碳化、活化等步骤进一步获得较大的比表面积、孔容来增加CO2的吸附量。然而，固态胺吸附剂热稳定性差、高温下胺易挥发、需操作条件温和且再生要求高等缺点使其在工业上应用受到限制；含氮聚合物虽具有高比表面积、较大孔容，但其机械性能较差、热稳定性差等，也无法在工业上广泛应用。