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行业知识

活性炭孔结构调控技术之模板炭化方法

研究者使用模板炭化方法,将沸石纳米通道中的炭前驱体炭化,得到的最大比表面积将近4000㎡/g,最大孔容1.8mL。因为沸石孔道的大小和形状取决于其晶体结构,合成的炭孔隙形态遗传沸石通道的形态,所以模板法制得的微孔尺寸一致、均一性好。   KyotaniT等研究了模板法制备微孔丰富炭材料的具体制备过程。低温真空下将糠醇浸胶注入沸石通道中,用甲苯洗去附着在沸石微粒表面的多余糠醇,150℃下停留8h,可溶性糠醇与沸石微粒发生聚合反应最终得到糠醇沸石复合粒子。700℃下炭化,然后用46%~48%的HF溶液将沸石模板溶解,最终得到的炭材料微孔含量丰富,炭的微孔孔径均一,尺寸接近1.3nm。   比较沸石模板法制备的活性炭(ZTC)、市售活性炭(MSC-30)、活性炭纤维(A-20)3种炭材料的N2等温吸附一脱附和孔径分布。ZTC微孔丰富,比表面积远高于另外2种,中孔数量很少,且制备过程不需要活化。其中MSC-30是市售中孔炭比表面积最高的一种。极高的比表面积说明炭材料存在弯曲表面,研究者用巨正则系综蒙特卡罗模拟法已经证实了该理论。   将热塑性前体(如聚乙烯醇PVA,轻丙基纤维素HPC等)进行热处理,使其收缩进入各种陶瓷与之共存,这样就能覆盖陶瓷微粒从而得到较高比表面积的多孔炭。实验中使用MgO作为陶瓷基板,将PVC前体加热至900℃,最后用稀酸溶解MgO基板,获得分子筛型活性炭。   用aS-plot和N2等温吸附法分析由醋酸镁(柠檬酸镁)与PVC在水溶液中混合制备的多孔炭结构。多孔炭中孔尺寸大小几乎与MgO微粒(由镁化合物经热解得到)一样。使用矩形形态的MgO微粒,SEM表征结果显示所合成的炭也具有同样尺寸的矩形孔。   用DFT、BJH方法表征微孔、中孔的孔径分布情况。结果如下:MgO微粒表面易形成微孔,尺寸大部分在1 nm附近。中孔大小取决于加入的MgO前体:醋酸镁与PVC混合液制得的中孔孔径约10nm;柠檬酸镁与PVC混合液制备的中孔孔径在5nm左右;由葡糖酸镁得到的中孔孔径在2~4nm之间。由醋酸镁、PVC混合液所得中孔孔径很大程度上依赖于混合方法:粉末混合得到的中孔孔径分布范围较宽,溶液混合所得中孔孔径集中在10nm左右。而使用柠檬酸镁则两种混合方法所得中孔尺寸一致。用MgO作基板还有一个好处,MgO在常温下用1mol/L的稀柠檬酸即可溶解,易于回收。   研究者以氢氧化镍为模板制备得到了同时含有微孔和中孔的多孔炭。该制备方法得到的多孔炭比表面积为970㎡/g,孔容积为0.69mL/g,其中微孔孔容为0.3mL/g,微孔孔径大部分在0.8nm左右,中孔孔径则多数处于15nm附近。

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