[发明专利]软模板法制备β-环糊精基掺硼介孔碳材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以β-环糊精为基质材料合成介孔碳材料的方法。

背景技术

随着我国社会经济的蓬勃发展，工业产业发展迅速，包括石化、印染、制药等企业排放的各类污染物通常难以被传统生物法处理，会穿透市政污水处理设施，通过管网排入河流，对水体造成严重污染，危害人及生物链条的生长健康。通常一些企业为有效防范和降低此类污染物的排放，一般会在污染物排放源头做二次深度处理，通过一些物化强化手段来去除这部分污染物，例如活性炭吸附技术。而传统的活性炭材料由于生产工艺和材料本身性质的局限性造成其吸附能力有限，往往很快会被吸附饱和，尤其在应急处置中更需要具有吸附能力强，吸附速率快的吸附材料，另外高品质的活性炭一般需要大量的活化剂，一方面增加了活性炭的生产成本，另一方面延长了生产工艺也极易造成设备的腐蚀及二次污染。

介孔碳材料的性质不仅取决于前驱体本身的性质及表面和孔道结构，杂原子的掺杂也将影响介孔碳材料的性能。例如，氧原子的掺杂可以提高材料表面的亲水性能，提供催化和选择性吸附的催化位点；氮原子的掺杂可以提供材料表面的碱性基团、提高催化活性及阴离子交换能力；硼原子的掺杂可以提高材料的氧原子含量，提高材料的催化及电储能性能。因此，介孔碳材料的杂化过程不仅需要引入大量的杂原子功能基团，还需要准备调整杂原子功能基团的种类及密度以适应特殊的材料应用。

β-环糊精作为一种常见的碳水化合物，由于其独特的双亲性及包埋能力，已广泛用于制药、化工、材料、环保等领域，另外其表面富含的大量羟基成为化学改性及负载的绝佳切入点。在吸附材料的制备方面，以往β-环糊精主要利用其羟基基团进行化学改性或接枝共聚反应，以提高其吸附性能，主要是增强其化学吸附能力，但这种改性的效率往往不高，且吸附的对象有限；另外在介孔碳材料合成方面，利用β-环糊精及其衍生物为基质材料也有相关的报道，但一般都是采用硬模板法来合成介孔碳材料，这是一种需要预制模板，碳化后还需要酸洗脱除模板的方法，工艺复杂且成本较高，不具备大规模工业化生产的条件。

发明内容

有鉴于此，为弥补传统活性炭材料吸附能力的不足，避免活化剂的使用，采用模板法合成的介孔碳材料无疑是传统碳吸附材料最有效的替代品。因此有必要开发一种工艺简单、能够合成出具有丰富介孔结构和广谱吸附能力的介孔碳材料的方法。

本发明公开了一种以β-环糊精作为碳源前躯体、硼酸作为催化剂、三嵌段共聚物为模板剂的合成掺杂硼原子的介孔碳材料的软模板合成方法。该种方法主要包括下列几个步骤：

(1)三嵌段共聚物的溶解，在其中加入水，搅拌直至其完全溶解，得到无色透明溶液；

(2)将硼酸和β-环糊精加入到步骤(1)所得到的的溶液当中，搅拌以形成乳白色混合液，完成硼酸催化β-环糊精网状络合物的生成及络合物与三嵌段共聚物的分子自组装过程；

(3)将步骤(2)得到的乳白色混合液倒入水热反应釜加热，生成白色粘稠状混合物；

(4)将步骤(3)得到的白色粘稠状混合物置于烘干装置内，在60℃条件下烘干，得到白色固体；

(5)将步骤(4)得到的白色固体碳化，经冷却后得到掺杂硼原子的介孔碳材料；

在步骤(1)中，三嵌段共聚物与水的重量份比例可以为：1-3∶25-35。

在步骤(2)中，硼酸与β-环糊精的重量份比例可以为：1.9∶3。

在步骤(3)中，加热条件可以为在80℃-120℃下加热24h-36h。

在步骤(5)中，碳化条件可以为，在氮气的保护下，以1℃/min的升温速率升至指定温度，碳化温度控制在500℃-900℃，碳化时间控制在1h-3h。

进一步地，将步骤(5)得到的掺杂硼原子介孔碳材料按照1重量份的硼酸，浸泡于30重量份的10wt％的溶液中，24h后过滤，用大量水冲洗，直至上清液pH不再变化为止，将所得材料置于烘干装置内105℃下烘干12h后即可得到分层孔道结构的介孔碳材料。

具体地，碳源前躯体为β-环糊精或者其衍生物，三嵌段共聚物为P123、F127、F108或它们的混合物，进一步合成分层孔道结构的介孔碳材料过程中的浸泡溶液为氢氟酸溶液。