[发明专利]一种三维纤维基气凝胶催化剂载体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维纤维基气凝胶催化剂载体及其制备方法，属于纤维功能材料领域。

背景技术

气凝胶是通过一定的方法将湿凝胶中的液体用气体取代，同时保持凝胶的网络结构基本不变而得到的一种高分散固态材料，是目前已知密度最小的固体材料之一。气凝胶根据成分的不同可分为无机气凝胶、有机气凝胶和无机/有机复合气凝胶，目前其制备过程主要是溶胶-凝胶过程与超临界干燥处理。在上世纪30年代Kistler首次制备出气凝胶，并指出气凝胶因其较高的孔隙率和比表面积、开放的织态结构在催化剂和催化剂载体方面具有潜在的应用价值。以气凝胶材料作为催化剂载体，可以有效的提高催化剂的活性和选择性，减少催化剂的聚集，提升反应层床的传质性能。国内专利CN102895970、美国专利US4550093分别公开了一种有机气凝胶负载Pd化合物制备Pd/C催化剂的方法、一种以氧化铝气凝胶负载过渡金催化剂的制备方法，许静等[Cu/SiO₂气凝胶催化剂上CO的催化氧化性能.[J].分子催化,2000,14(1):71～73]报道了一种以SiO₂气凝胶为载体Cu为活性组分的催化剂及其制备方法。但上述催化剂所涉及的载体材料均为单一的粒子型气凝胶，该型气凝胶材料因粒子堆积密度较高、孔隙连通性差，对介质的输运能力相对较差。此外，粒子型气凝胶材料还存固有强度低、脆性大、制备工艺冗繁复杂、耗时长的不足，因而较难实现大规模工业化应用。

纤维基气凝胶材料作为一种含有纤维结构的新型气凝胶材料，在具备传统粒子型气凝胶特性的同时融入了纤维的独特优势，如良好的柔韧性、结构均匀性、形状记忆性能等。此外，纤维也是一种优良的催化剂载体材料，通过构筑纤维基气凝胶材料，将纤维载体的特性与气凝胶的结构特点相结合，对于提升催化体剂的应用性能具有重要意义。国内专利CN1836779、美国专利US5972254分别公开了一种可负载催化剂的微纤结构化三维多孔复合材料的制备方法、一种超细纤维增强蜂窝状气凝胶催化剂载体的制备方法，上述专利中所涉及的催化剂载体均是由纤维掺杂的材料，纤维在其中仅作为增强组分，所得的材料实质上为粒子型气凝胶，因而仍存在脆性大、孔隙连通性差、介质输运效率较低的缺陷。此外，上述方法都需要首先制备出无机前躯体溶胶，存在制备工艺复杂、能耗高，原料选择范围窄等不足。因此上述专利公开的方法均难以实现新型高效、低成本三维纤维基气凝胶催化剂载体的有效制备。

发明内容

本发明涉及一种三维纤维基气凝胶催化剂载体及其制备方法，特别是涉及一种由一维纤维经三维网络重构方法获得的三维纤维基气凝胶催化剂载体及其制备方法。

本发明的一种三维纤维基气凝胶催化剂载体的制备方法，具体步骤为：

第一步：将纤维分散在对其不具有溶解性的溶剂中，形成悬浊液；为保证获得载体结构的均一性，所述悬浊液为均相。

第二步：将所述悬浊液进行凝固化处理，使悬浊液形成凝固块；凝固化处理使悬浊液中溶剂凝固形成凝固体，固化后的溶剂填充于纤维网络间将分散于其中的纤维的空间位置固定住，形成所需的体型结构。

第三步：脱除所述凝固块中凝固的溶剂，形成未交联纤维基气凝胶；使空气替代原来溶剂所占的空间并保持纤维原有的空间结构不变。

第四步：将所述未交联纤维基气凝胶进行交联稳定化处理，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；纤维交错点间依靠非氢键键合作用实现有效的粘结互连，构筑了稳定的三维纤维网络结构，同时赋予三维纤维基气凝胶良好的力学性能和压缩回弹性能。

第五步：将所述交联三维纤维基气凝胶材料进行活化处理，获得三维纤维气凝胶催化剂载体。活化处理保障纤维表面活性位点的数量，提高催化剂的负载量。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种三维纤维基气凝胶催化剂载体的制备方法，所述悬浊液中，纤维的质量分数为0.01～50%。

如上所述的一种三维纤维基气凝胶催化剂载体的制备方法，所述的纤维为天然纤维和/或合成纤维和/或无机纤维，所述纤维的平均直径为2nm～50μm，纤维的平均长径比为5～50000，根据所需材料的结构性质，可在较大的范围内调整纤维类型；所述溶剂为水、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、叔丁醇、丙酮和二甲基亚砜的一种或多种的组合；

其中天然纤维为：棉纤维、木棉纤维、麻纤维、木浆纤维、竹浆纤维、毛纤维、蚕丝纤维、蛛丝纤维、木质素纤维和细菌纤维素纤维的一种或多种的组合；