整体型多孔炭的制备及其对苯和甲苯吸/脱附行为研究
发布时间：2021-09-22 04:57
以酚醛树脂溶液为前驱体,预氧化聚丙烯腈纤维毡为增强体,通过溶胶-凝胶反应、常压干燥、炭化、CO2活化等工艺制备出高强度、高比表面积的整体型多孔炭。通过SEM、TEM和N2吸/脱附表征该材料的微观结构及孔结构参数,并采用重量法测得材料对两种典型VOCs（苯和甲苯）的吸/脱附性能。结果表明,所制整体型多孔炭具有典型的纤维增强气凝胶的结构,活化后样品（ACM-3）比表面积可高达1 872 m2/g,孔容为0.97 cm3/g,该样品对50 ppm苯的吸附量为117 mg/g,对甲苯的吸附量可高达287 mg/g,且对苯和甲苯都具有最快的吸/脱附动力学。采用三种方程对吸附等温线进行拟合,基于微孔填充机理的DR方程对实验结果的关联度最好。此外,整体型多孔炭还具有长期循环使用的稳定性,是一种具有潜在应用价值的室内空气净化材料。
【文章来源】：新型炭材料. 2017,32(04)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
整体型多孔炭制备过程示意图
┦髦?芤何?扒?澹??氧化聚丙烯腈纤维毡为增强体，通过溶胶-凝胶反应、常压干燥以及炭化、活化等过程制备的，如图1所示。该制备过程的关键在于轻质高强炭气凝胶的制备以及使用预氧化聚丙烯腈纤维毡作为增强体。在溶胶-凝胶反应过程中，酚醛树脂在固化剂/催化剂的交联和催化作用下，形成胶状聚合物颗粒，并沿着纤维表面生长并逐渐填充在纤维之间的空隙中，形成三维相互贯穿的“珍珠链”结构。经过常压干燥后，可以得到外观金黄色的有机复合材料，如图2a所示。进一步高温炭化后，CM能够很好的保持炭化前的宏观形貌(图2b)，其弯曲强度可以达到6MPa，而且表现出断裂韧性的特征。经过CO2活化后，样品的弯曲强度略有下降，但仍保持很好的整体型结构。该制备工艺简单，成本低，无需昂贵复杂的超临界干燥，可以实现大规模制备，且样品的尺寸和形状可以通过纤维毡的预成型或材料的后裁剪过程进行调控，满足实际应用中不同场合的需求。图1整体型多孔炭制备过程示意图Fig．1Schematicillustrationofpreparationofthecarbonmonoliths．图2(a)有机整体型材料和(b)整体型多孔炭材料的宏观形貌，(c，d)CM，(e)ACM-3的SEM和(f)TEM照片Fig．2Photographsofthe(a)organicmonolithsand(b)carbonmonoliths，(c，d)SEMimagesofCMand(e)ACMs，(f)TEMimageofACM-3．图2c为CM的SEM照片，可以看出，酚醛树脂颗粒紧密填充在纤维周围，具有较强的界面结合作用，形成纤维增强酚醛气凝胶的复合结构。从高倍SEM照片可以看出CM内部具有相互贯穿的三维网状结构，大孔的尺寸约在几个微米。经过活化后，酚醛气凝胶颗粒尺寸减小(图2e)，从图2f的TEM·360·新型炭材料第32卷
照片中可以看出，ACM-3内部具有大量的无序的微孔。图3是CM及ACMs的氮气吸脱附等温线及孔径分布图。可以看出，活化后样品的氮气吸附量明显提高，随着活化时间的延长，样品的比表面积从277m2/g增大到1872m2/g，孔容也由原来的0．18cm3/g提高到0．97cm3/g。由氮气脱附等温线的DFT孔径分布曲线可以看出，活化样品的微孔得到进一步的提升，当活化时间延长到3h时，ACM-3出现了1～2nm之间的微孔，这可能是由于活化过程中部分碳壁变薄，超微孔贯穿形成较大的微孔，其详细的孔结构参数如表1所示。该整体型多孔炭具有发达的微孔，较高的孔容以及相互贯穿的大孔，既能为气体吸附提供活性位，又能为气体扩散提供通道。图3整体型多孔炭的(a)氮气吸脱附等温线及(b)孔径分布图Fig．3(a)N2adsorption-desorptionisothermsand(b)poresizedistributionsofcarbonmonoliths．表1整体型多孔炭的孔结构参数Table1Structureparametersofcarbonmonoliths．SamplesSBETa(m2/g)Smicb(m2/g)Vtotalc(cm3/g)Vmicd(cm3/g)CM2772100．180．13ACM-16595800．330．23ACM-29739100．490．36ACM-3187217070．970．73Note:aBETspecificsurfacearea;bmicroporesurfacearea;cTotalporevolume(p/p0=0．99);dmicroporevolume．3．2苯和甲苯吸脱附性能VOCs吸附选用了两种典型的室内污染物，苯和甲苯作为代表，浓度为50ppm。从图4可以看出，CM因具有最低的比表面积和孔容，对苯和甲苯的吸附量都非常低，分别为53mg/g和60mg/g。对于活化后的样品，苯和甲苯的平衡吸附量显著提高，而且同一样品对甲苯的吸附量要高于对苯的吸附量，这可能是因为甲苯较苯具有较高的相对压力［20-21］
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳质材料的气体吸附性能及其在空气净化中的应用[J]. 林舒媛,张儒静,姜欣,杨婷婷,劳俊超,朱宏伟. 新型炭材料. 2015(06)
[2]不同结构活性炭对甲苯的吸附性能(英文)[J]. 宋燕,乔文明,尹圣昊,持田勲. 新型炭材料. 2005(04)
[3]炭气凝胶及其有机气凝胶前驱体的吸附性能[J]. 吴丁财,刘晓方,符若文. 新型炭材料. 2005(04)
[4]氧化处理ACF对VOC的吸附及其等温线的拟合[J]. 黄正宏,康飞宇,梁开明,杨骏兵. 清华大学学报(自然科学版). 2002(10)
本文编号：3403181
【文章来源】：新型炭材料. 2017,32(04)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
整体型多孔炭制备过程示意图
┦髦?芤何?扒?澹??氧化聚丙烯腈纤维毡为增强体，通过溶胶-凝胶反应、常压干燥以及炭化、活化等过程制备的，如图1所示。该制备过程的关键在于轻质高强炭气凝胶的制备以及使用预氧化聚丙烯腈纤维毡作为增强体。在溶胶-凝胶反应过程中，酚醛树脂在固化剂/催化剂的交联和催化作用下，形成胶状聚合物颗粒，并沿着纤维表面生长并逐渐填充在纤维之间的空隙中，形成三维相互贯穿的“珍珠链”结构。经过常压干燥后，可以得到外观金黄色的有机复合材料，如图2a所示。进一步高温炭化后，CM能够很好的保持炭化前的宏观形貌(图2b)，其弯曲强度可以达到6MPa，而且表现出断裂韧性的特征。经过CO2活化后，样品的弯曲强度略有下降，但仍保持很好的整体型结构。该制备工艺简单，成本低，无需昂贵复杂的超临界干燥，可以实现大规模制备，且样品的尺寸和形状可以通过纤维毡的预成型或材料的后裁剪过程进行调控，满足实际应用中不同场合的需求。图1整体型多孔炭制备过程示意图Fig．1Schematicillustrationofpreparationofthecarbonmonoliths．图2(a)有机整体型材料和(b)整体型多孔炭材料的宏观形貌，(c，d)CM，(e)ACM-3的SEM和(f)TEM照片Fig．2Photographsofthe(a)organicmonolithsand(b)carbonmonoliths，(c，d)SEMimagesofCMand(e)ACMs，(f)TEMimageofACM-3．图2c为CM的SEM照片，可以看出，酚醛树脂颗粒紧密填充在纤维周围，具有较强的界面结合作用，形成纤维增强酚醛气凝胶的复合结构。从高倍SEM照片可以看出CM内部具有相互贯穿的三维网状结构，大孔的尺寸约在几个微米。经过活化后，酚醛气凝胶颗粒尺寸减小(图2e)，从图2f的TEM·360·新型炭材料第32卷
照片中可以看出，ACM-3内部具有大量的无序的微孔。图3是CM及ACMs的氮气吸脱附等温线及孔径分布图。可以看出，活化后样品的氮气吸附量明显提高，随着活化时间的延长，样品的比表面积从277m2/g增大到1872m2/g，孔容也由原来的0．18cm3/g提高到0．97cm3/g。由氮气脱附等温线的DFT孔径分布曲线可以看出，活化样品的微孔得到进一步的提升，当活化时间延长到3h时，ACM-3出现了1～2nm之间的微孔，这可能是由于活化过程中部分碳壁变薄，超微孔贯穿形成较大的微孔，其详细的孔结构参数如表1所示。该整体型多孔炭具有发达的微孔，较高的孔容以及相互贯穿的大孔，既能为气体吸附提供活性位，又能为气体扩散提供通道。图3整体型多孔炭的(a)氮气吸脱附等温线及(b)孔径分布图Fig．3(a)N2adsorption-desorptionisothermsand(b)poresizedistributionsofcarbonmonoliths．表1整体型多孔炭的孔结构参数Table1Structureparametersofcarbonmonoliths．SamplesSBETa(m2/g)Smicb(m2/g)Vtotalc(cm3/g)Vmicd(cm3/g)CM2772100．180．13ACM-16595800．330．23ACM-29739100．490．36ACM-3187217070．970．73Note:aBETspecificsurfacearea;bmicroporesurfacearea;cTotalporevolume(p/p0=0．99);dmicroporevolume．3．2苯和甲苯吸脱附性能VOCs吸附选用了两种典型的室内污染物，苯和甲苯作为代表，浓度为50ppm。从图4可以看出，CM因具有最低的比表面积和孔容，对苯和甲苯的吸附量都非常低，分别为53mg/g和60mg/g。对于活化后的样品，苯和甲苯的平衡吸附量显著提高，而且同一样品对甲苯的吸附量要高于对苯的吸附量，这可能是因为甲苯较苯具有较高的相对压力［20-21］
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳质材料的气体吸附性能及其在空气净化中的应用[J]. 林舒媛,张儒静,姜欣,杨婷婷,劳俊超,朱宏伟. 新型炭材料. 2015(06)
[2]不同结构活性炭对甲苯的吸附性能(英文)[J]. 宋燕,乔文明,尹圣昊,持田勲. 新型炭材料. 2005(04)
[3]炭气凝胶及其有机气凝胶前驱体的吸附性能[J]. 吴丁财,刘晓方,符若文. 新型炭材料. 2005(04)
[4]氧化处理ACF对VOC的吸附及其等温线的拟合[J]. 黄正宏,康飞宇,梁开明,杨骏兵. 清华大学学报(自然科学版). 2002(10)
本文编号：3403181
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3403181.html
