[发明专利]一种空心介孔碳球自组装多孔炭微球及其制备方法

说明书

本发明公开了一种空心介孔碳球自组装多孔炭微球及其制备方法，其制备方法包括如下几个步骤：(1)空心介孔硅球的制备，(2)空心介孔硅球的负载，(3)去除SiO2模板，(4)碳前驱体的制备，(5)在高温下经过CO₂活化，最终获得目标产物C_X@HCS，其中X代表葡萄糖溶液的浓度。本发明制备方法所制得复合吸附材料具有独特的结构和优异的吸附性能，特别是对甲苯吸附性能高且具有良好的可再生性。

技术领域

本发明涉及挥发性有机物吸附净化技术，特别涉及挥发性有机化合物吸附剂的制备方法。

背景技术

挥发性有机化合物(VOCs)的排放是目前面临的重大环境问题之一，对自然环境和人体健康都造成了严重影响。吸附技术是处理低浓度VOCs污染的具有前景的方案。在众多VOCs处理技术中，吸附法是目前公认应用最广泛的技术之一。与其他方法相比，吸附法具有成本低、操作方便、去除效率高、毒性小等优点。吸附法的原理是利用具有丰富孔隙结构的吸附剂与VOCs接触后，在吸附剂表面的吸引力和化学键力的作用下，将大气中的VOCs污染物吸附在吸附剂孔道内。吸附法又分为物理吸附和化学吸附两种形式，物理吸附主要以范德华力吸引为主，化学吸附主要是依靠吸附剂表面的某些官能团、化学键等使得VOCs分子与吸附剂结合。VOCs吸附技术的核心在于吸附剂的选用。活性炭、有机金属骨架材料(MOFs)、分子筛(沸石)、碳纳米管(CNT)、生物炭、活性炭纤维(ACF)等都是常见的吸附材料。空心碳球是一种新型的多孔碳材料，因其比密度低、可控内孔体积大和开放框架结构等独特的物理和化学特性而受到广泛关注。因此，碳球已被应用于环境治理等领域。多孔碳材料作为吸附剂和催化剂载体已经有不少报道(如：2009，21，706-716，Chemistry ofMaterials)，并且发现了很多优异的性能。对诸如苯酚、维生素、蛋白质和大分子染料等有很好的吸附性能。而作为催化剂载体，有助于发挥被装载催化剂的催化潜力。空心碳球虽然拥有较大的孔体积，但其比表面积一般低于目前VOCs吸附剂研究的平均水平，在一定程度上限制了在VOCs吸附中的应用。

为了增大空心碳球的比表面积，进一步提高空心碳球的吸附潜力，提出在空心碳球中组装另一种球形碳材料，通过对材料进行活化，在不影响孔体积的情况下进一步增大材料的比表面积，使材料拥有更加优异的吸附性能。在众多球形碳材料中，以生物质例如淀粉、葡萄糖、蔗糖、纤维素等原料利用水热法制备碳微球是较为常用的方法。此制备方法不仅操作简单无污染物，而且制备的微球分散性良好。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种空心介孔碳球自组装多孔炭微球的制备方法及其应用，所制备的复合型吸附剂对VOCs具有良好的吸附-脱附性能。

为了实现上述发明的目的，本发明通过溶胶凝胶法以及模板法合成了纳米空心碳球，其粒径约在370-450nm之间，壁厚约为40nm。再以葡萄糖为碳源，通过超声-水热法在中空碳球的内部成功生成炭微球，制备得到空心介孔碳球自组装多孔炭微球复合材料。

一种空心介孔碳球自组装多孔炭微球的制备方法，以具有贯穿孔道的有序介孔纳米二氧化硅球为模板，采用硬模板法制备出具有介孔结构的空心碳球HCS，空心碳球HCS重新分散于葡萄糖或蔗糖溶液中，在水热釜中进行水热反应，自然降温后经过滤、洗涤、干燥得到碳前驱体；

将碳前驱体于惰性气体氛围下匀速升温至与持续通入的二氧化碳气体反应进行活化，在惰性气体氛围下自然降温至室温，得到最终产物C_X@HCS，其中X代表葡萄糖或蔗糖溶液的浓度。

溶胶凝胶法合成具有贯穿孔道的有序介孔纳米二氧化硅球已由现有技术CN104743542B公开。水热法合成纳米碳微球已由现有技术CN108975310B公开。本发明的创新点是在空心碳球内生成了具有羟基和羰基的碳微球。提高了吸附能力。