發(fā)布時(shí)間：2021-09-22 04:57

　　以酚醛樹脂溶液為前驅(qū)體,預(yù)氧化聚丙烯腈纖維氈為增強(qiáng)體,通過溶膠-凝膠反應(yīng)、常壓干燥、炭化、CO₂活化等工藝制備出高強(qiáng)度、高比表面積的整體型多孔炭。通過SEM、TEM和N₂吸/脫附表征該材料的微觀結(jié)構(gòu)及孔結(jié)構(gòu)參數(shù),并采用重量法測(cè)得材料對(duì)兩種典型VOCs（苯和甲苯）的吸/脫附性能。結(jié)果表明,所制整體型多孔炭具有典型的纖維增強(qiáng)氣凝膠的結(jié)構(gòu),活化后樣品（ACM-3）比表面積可高達(dá)1 872 m²/g,孔容為0.97 cm3/g,該樣品對(duì)50 ppm苯的吸附量為117 mg/g,對(duì)甲苯的吸附量可高達(dá)287 mg/g,且對(duì)苯和甲苯都具有最快的吸/脫附動(dòng)力學(xué)。采用三種方程對(duì)吸附等溫線進(jìn)行擬合,基于微孔填充機(jī)理的DR方程對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)聯(lián)度最好。此外,整體型多孔炭還具有長(zhǎng)期循環(huán)使用的穩(wěn)定性,是一種具有潛在應(yīng)用價(jià)值的室內(nèi)空氣凈化材料。 

【文章來源】：新型炭材料. 2017,32(04)北大核心EISCICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：7 頁(yè)

【部分圖文】：

整體型多孔炭制備過程示意圖

┦髦?芤何?扒?澹??氧化聚丙烯腈纖維氈為增強(qiáng)體，通過溶膠-凝膠反應(yīng)、常壓干燥以及炭化、活化等過程制備的，如圖1所示。該制備過程的關(guān)鍵在于輕質(zhì)高強(qiáng)炭氣凝膠的制備以及使用預(yù)氧化聚丙烯腈纖維氈作為增強(qiáng)體。在溶膠-凝膠反應(yīng)過程中，酚醛樹脂在固化劑/催化劑的交聯(lián)和催化作用下，形成膠狀聚合物顆粒，并沿著纖維表面生長(zhǎng)并逐漸填充在纖維之間的空隙中，形成三維相互貫穿的“珍珠鏈”結(jié)構(gòu)。經(jīng)過常壓干燥后，可以得到外觀金黃色的有機(jī)復(fù)合材料，如圖2a所示。進(jìn)一步高溫炭化后，CM能夠很好的保持炭化前的宏觀形貌(圖2b)，其彎曲強(qiáng)度可以達(dá)到6MPa，而且表現(xiàn)出斷裂韌性的特征。經(jīng)過CO2活化后，樣品的彎曲強(qiáng)度略有下降，但仍保持很好的整體型結(jié)構(gòu)。該制備工藝簡(jiǎn)單，成本低，無需昂貴復(fù)雜的超臨界干燥，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備，且樣品的尺寸和形狀可以通過纖維氈的預(yù)成型或材料的后裁剪過程進(jìn)行調(diào)控，滿足實(shí)際應(yīng)用中不同場(chǎng)合的需求。圖1整體型多孔炭制備過程示意圖Fig．1Schematicillustrationofpreparationofthecarbonmonoliths．圖2(a)有機(jī)整體型材料和(b)整體型多孔炭材料的宏觀形貌，(c，d)CM，(e)ACM-3的SEM和(f)TEM照片F(xiàn)ig．2Photographsofthe(a)organicmonolithsand(b)carbonmonoliths，(c，d)SEMimagesofCMand(e)ACMs，(f)TEMimageofACM-3．圖2c為CM的SEM照片，可以看出，酚醛樹脂顆粒緊密填充在纖維周圍，具有較強(qiáng)的界面結(jié)合作用，形成纖維增強(qiáng)酚醛氣凝膠的復(fù)合結(jié)構(gòu)。從高倍SEM照片可以看出CM內(nèi)部具有相互貫穿的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，大孔的尺寸約在幾個(gè)微米。經(jīng)過活化后，酚醛氣凝膠顆粒尺寸減小(圖2e)，從圖2f的TEM·360·新型炭材料第32卷

照片中可以看出，ACM-3內(nèi)部具有大量的無序的微孔。圖3是CM及ACMs的氮?dú)馕摳降葴鼐�及孔徑分布圖。可以看出，活化后樣品的氮?dú)馕搅棵黠@提高，隨著活化時(shí)間的延長(zhǎng)，樣品的比表面積從277m2/g增大到1872m2/g，孔容也由原來的0．18cm3/g提高到0．97cm3/g。由氮?dú)饷摳降葴鼐�的DFT孔徑分布曲線可以看出，活化樣品的微孔得到進(jìn)一步的提升，當(dāng)活化時(shí)間延長(zhǎng)到3h時(shí)，ACM-3出現(xiàn)了1～2nm之間的微孔，這可能是由于活化過程中部分碳壁變薄，超微孔貫穿形成較大的微孔，其詳細(xì)的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。該整體型多孔炭具有發(fā)達(dá)的微孔，較高的孔容以及相互貫穿的大孔，既能為氣體吸附提供活性位，又能為氣體擴(kuò)散提供通道。圖3整體型多孔炭的(a)氮?dú)馕摳降葴鼐�及(b)孔徑分布圖Fig．3(a)N2adsorption-desorptionisothermsand(b)poresizedistributionsofcarbonmonoliths．表1整體型多孔炭的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)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苯和甲苯吸脫附性能VOCs吸附選用了兩種典型的室內(nèi)污染物，苯和甲苯作為代表，濃度為50ppm。從圖4可以看出，CM因具有最低的比表面積和孔容，對(duì)苯和甲苯的吸附量都非常低，分別為53mg/g和60mg/g。對(duì)于活化后的樣品，苯和甲苯的平衡吸附量顯著提高，而且同一樣品對(duì)甲苯的吸附量要高于對(duì)苯的吸附量，這可能是因?yàn)榧妆捷^苯具有較高的相對(duì)壓力［20-21］

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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