真空浸渍制备膨胀石墨基C/C复合材料及其甲醛吸附性能

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)江苏大学材料科学与工程学院 作者:顾 诚

  以蔗糖为炭源,磷酸为活化剂,采用真空浸渍法经炭化、活化制得膨胀石墨基C/C复合材料。采用SEM、氮气吸脱附法、TG和TEM 等测试手段,研究了磷酸/蔗糖质量比(Xp)、蔗糖浓度对复合材料孔结构和比表面积的影响,利用FTIR和Boehm滴定法对复合材料表面的化学官能团进行表征,并考察了C/C复合材料对甲醛的吸附能力。结果表明:膨胀石墨基C/C复合材料含有大量的微孔、一定量的介孔和大孔,表面含有丰富的含氧官能团,有利于对甲醛极性分子的吸附。在Xp=1.0、蔗糖溶液浓度为30%(质量分数)时所制得的膨胀石墨基C/C复合材料比表面积最高,达到2112m2/g,孔容为1.08mL/g,其对甲醛的吸附量为854mg/g,较同工艺制备的活性炭提高了26.9%。

  随着经济条件的提高,越来越多的室内装饰装潢材料得到应用,而这些材料常常带有甲醛等挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)。现在人们大约80%的时间是在室内度过的。因此室内环境的治理越来越受到人们的重视。

  目前,国内外治理室内污染主要采用吸附法、光催化氧化法、生物降解法等。而吸附法由于设备简单、操作方便、适用范围广、处理效果好等优点,有着非常广泛的应用前景。其中活性炭是吸附剂的典型代表,应用最广泛,但是传统的活性炭多为粉状或粒状,其孔结构中含有大量的盲孔和封闭孔,并存在矿物灰分,严重影响了其吸附容量;另外在循环使用中其摩擦损耗较高。

  近年来,一种新型的吸附材料———膨胀石墨基C/C复合材料开始受到广泛关注,这类材料以膨胀石墨为骨架,有机树脂为炭源,采用物理活化法制备,存在比表面积低(一般不超过1000m2/g)、活化不均匀等问题。

  本研究以磷酸为活化剂,将炭源真空浸渍涂覆到膨胀石墨基体的网络孔隙中,可以缩短浸渍时间并实现炭源充分、均匀引入,制备出膨胀石墨基C/C复合材料。该复合材料是在膨胀石墨的外表面和内部二级孔的孔壁上涂覆一层活性炭膜,并保留膨胀石墨的微米级网络状连通孔结构,实现了微米级大孔、纳米级微孔及少量介孔的多孔复合,所得复合材料具有良好通透性和高的比表面积。

  1、实、验

  1.1、膨胀石墨基C/C复合材料的制备

  真空浸渍是将膨胀石墨浸渍在一定质量比的磷酸/蔗糖溶液中,再将其放入真空烘箱内,保持室温,箱内压力为-0.1MPa以下。真空浸渍4h后,将样品取出在80℃下烘干约10h,然后在160℃下固化8h。固化后的样品在350℃下保温2h进行活化,全程氮气保护。活化后试样经去离子水冲洗除去其中磷酸根离子,得到所需膨胀石墨基C/C复合材料。

  实验中活性炭为相同工艺条件下,即未用膨胀石墨为基体,制得的纯活性炭,粒径约为0.5mm。

  1.2、样品表征

  使用美国康塔NOVA-2000e自动吸附仪,采用容量法以氮气为吸附质在液氮温度77K下进行吸附测定,测得的等温吸附曲线由Brunauer-Emmett-Teller (BET)法计算比表面积,用JSM-7001F、S-4800II型场发射扫描电子显微镜,TecnaiG212Twin型透射电子显微镜观察和分析样品的微观形貌,用Density-Functional-Theory(DFT)模型拟合吸附等温线得到样品的纳米级孔径分布。采用KBr粉末压片法测试样品的红外吸收光谱(美国Thermo Nicolet公司Nexus470型傅里叶变换红外光谱仪)对材料表面官能团进行定性分析。采用Boehm滴定法定量分析复合材料表面官能团。Boehm 滴定法根据不同强度的碱和酸与材料表面进行反应。其中,NaHCO3仅中和材料表面的羧基,Na2CO3可中和材料表面的羧基和内酯基,而NaOH 可中和材料表面的羧基、内酯基和酚羟基,而HCl中和材料表面碱性基团总量,根据碱酸消耗量的不同,可以计算出相应酸碱性基团的含量。

  1.3、静态吸附试验

  采用静态保干器法,在一定的温度下,准确称取一定量的复合材料放在铝箔上并置于真空干燥器中;同时,在真空干燥器中放置一定量的甲醛溶液,密闭保存一定时间后取出,放置空气中5min以脱去吸附不稳定物质,然后称重,算出材料吸附甲醛的质量。

  3、结论

  (1)在真空浸渍条件下,当磷酸/蔗糖质量比Xp=1.0,蔗糖浓度为30%时可以制备得到比表面积为2112m2/g、孔容为1.08mL/g的膨胀石墨基C/C复合材料,其孔径集中在3.5nm 以下,适合小分子吸附。

  (2)在复合材料中,以磷酸为活化剂提供了丰富的表面含氧官能团和极性官能团适合对甲醛类极性分子的吸附。同时活性炭以炭膜形式均匀涂覆于膨胀石墨外表面和二级孔道中,并实现了微米级大孔、纳米级微孔及少量介孔的多孔复合。

  (3)复合材料对甲醛的吸附量最大可达854mg/g,较同工艺制备的纯活性炭的673mg/g,提高了26.9%。

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