CN101314468B - 一种纳米氧化锌掺杂的高比表面积块体多孔炭的制备方法 - Google Patents
一种纳米氧化锌掺杂的高比表面积块体多孔炭的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种纳米氧化锌掺杂的高比表面积块体多孔炭的制备方法。该方法是以间苯二酚和甲醛为反应单体，水作溶剂，加入醋酸锌作为催化剂，配制成酚醛溶液；各成分配比为：间苯二酚/醋酸锌＝5～200摩尔比，间苯二酚/甲醛＝0.5摩尔比，间苯二酚/水＝0.2～1.6质量比；先将醋酸锌和间苯二酚混合，然后加入水，搅拌至溶液澄清，再加入甲醛充分混合，将配制好的酚醛溶液放入密闭的反应容器中老化，取出后，常压条件下干燥。本方法一步合成，简便快速，所得复合材料同时具有了多孔炭的吸附功能和纳米氧化锌的光催化和抗菌等功能，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用溶胶-凝胶法一步制备纳米氧化锌掺杂的高比表面积块体多孔炭材料的方法。
背景技术
多孔炭材料由于其巨大的比表面积和优异的吸附性能，在气体分离、污水处理等领域具有很广泛的应用，其吸附容量远远高于其他多孔吸附材料，如沸石、硅胶等。多孔炭中丰富的孔空间不仅是吸附场所，同时由于其特殊的分子场，导致被吸附分子之间的相互作用很强，从而赋予多孔炭特殊的吸附功能。多孔炭上存在的大量表面官能团也赋予了多孔炭很好的催化活性。正是多孔炭特殊的孔结构和表面官能团决定了其性能。多孔炭材料耐高温、耐腐蚀、导电性好、化学稳定性高，同时具有生物相容性。因此多孔炭材料广泛应用于吸附分离材料、催化材料、电子能源材料和生物材料等领域。
纳米氧化锌颗粒的粒径介于1～100nm之间，由于颗粒尺寸的细微化，纳米氧化锌产生了其本体块状材料所不具备的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应，因而使得纳米氧化锌在磁、电、光、敏感等方面具有一些特殊的性能。纳米氧化锌颗粒由于纳米材料本身特有的颗粒尺寸和表面特性以及氧化锌在纳米尺度所表现的光催化活性和优越的抗菌、除臭、消毒等性能，使得纳米氧化锌在环保领域具有了重要的应用价值。
将纳米氧化锌与多孔炭材料复合，可以使这种复合材料同时具有多孔炭优越的吸附性能和纳米氧化锌的抗菌、光催化等多重功能，尤其是做成块体材料，能更方便的应用于催化剂载体、抗菌等多个领域，具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米氧化锌掺杂的高比表面积块体多孔炭的制备方法。本发明在酚醛聚合的溶胶-凝胶过程中将醋酸锌加入，使其作为催化剂催化聚合反应的发生，随即在炭化过程产生的氧化锌又可作为活化剂促进多孔炭的活化开孔。制备出的块体多孔炭材料具有高比表面积，并且掺杂有粒径分布均匀的纳米氧化锌，因而同时具有两种材料的复合性能。
本发明的技术方案是：一种纳米氧化锌掺杂的高比表面积块体多孔炭的制备方法，是以间苯二酚和甲醛为反应单体，水作溶剂，加入醋酸锌作为催化剂，配制成酚醛溶液；各成分配比为：间苯二酚/醋酸锌＝5～200摩尔比，间苯二酚/甲醛＝0.5摩尔比，间苯二酚/水＝0.2～1.6质量比；先将醋酸锌和间苯二酚混合，然后加入水，搅拌至溶液澄清，再加入甲醛充分混合，将配制好的酚醛溶液放入密闭的反应容器中老化，取出后，常压条件下干燥，然后在惰性气氛中炭化得到多孔炭；老化的温度是50～90℃，时间是2～4天；干燥条件是常压烘干，烘干的温度是50～90℃，时间是6～24小时；炭化的温度为500～850℃，炭化时间是2～4小时。所述的间苯二酚/水最佳比为0.2～0.8质量比。惰性气体为氮气，开孔剂为炭化产生的氧化锌。
本发明方法采用溶胶-凝胶法，在酚醛聚合过程中醋酸锌作为催化剂均匀的分散在有机凝胶网络中，在随后的炭化过程中醋酸锌转化为氧化锌，使得纳米氧化锌颗粒均匀的分散在多孔炭材料的网络结构中，且不致脱落，所得复合材料同时具有了多孔炭的吸附功能和纳米氧化锌的光催化和抗菌等功能，具有广泛的应用前景。
本发明的有益效果是：本发明方法所制备得到的纳米氧化锌掺杂的高比表面积块体多孔炭表面光滑，质地均匀。多孔炭内部具有丰富的微孔、中孔和大孔，BET比表面积可到450～800m2/g，氧化锌质量分数可达25％。制备方法简便，快速，可实现工业化生产。
附图说明
图1是纳米氧化锌掺杂的多孔炭的X-Ray衍射图。与数据库查的标准图谱对比，为高纯度的六方晶系氧化锌，计算其粒径为23nm。
图2是纳米氧化锌掺杂的高比表面积块体多孔炭的TEM图，显示多孔炭材料具有丰富的孔隙结构。
图3是压汞法测得的纳米氧化锌掺杂的高比表面积块体多孔炭的孔径分布图，显示该材料在15nm和17um具有集中的孔径分布。
具体实施方式
实施例1
按间苯二酚(R)∶甲醛(F)∶水(W)∶醋酸锌(C)＝6g∶8.2g∶3.8ml∶0.12g将间苯二酚和醋酸锌混合，加入去离子水溶解，溶液变成透明时，加入甲醛充分混合后，放入烘箱中反应，形成凝胶。得到的凝胶干燥后在惰性气体保护下800℃炭化即得到纳米氧化锌掺杂的块体多孔炭。氮吸附测试结果表明其比表面积为478m2/g，孔容积为0.64cm3/g。
实施例2
按间苯二酚(R)∶甲醛(F)∶水(W)∶醋酸锌(C)＝6g∶8.2g∶30.7ml∶024g将间苯二酚和醋酸锌混合，加入去离子水溶解，溶液变成透明时，加入甲醛充分混合后，放入烘箱中反应，形成凝胶。得到的凝胶干燥后在惰性气体保护下800℃炭化即得到纳米氧化锌掺杂的块体多孔炭。氮吸附测试结果表明其比表面积为733m2/g，孔容积为0.50cm3/g。
实施例3
按间苯二酚(R)∶甲醛(F)∶水(W)∶醋酸锌(C)＝6g∶8.2g∶8.2ml∶0.24g将间苯二酚和醋酸锌混合，加入去离子水溶解，溶液变成透明时，加入甲醛充分混合后，放入烘箱中反应，形成凝胶。得到的凝胶干燥后在惰性气体保护下800℃炭化即得到纳米氧化锌掺杂的块体多孔炭。氮吸附测试结果表明其比表面积为625m2/g，孔体积为0.91cm3/g。
实施例4
按间苯二酚(R)∶甲醛(F)∶水(W)∶醋酸锌(C)＝6g∶8.2g∶7.2ml∶1.2g将间苯二酚和醋酸锌混合，加入去离子水溶解，溶液变成透明时，加入甲醛充分混合后，放入烘箱中反应，形成凝胶。得到的凝胶干燥后在惰性气体保护下800℃炭化即得到纳米氧化锌掺杂的块体多孔炭。氮吸附测试结果表明其比表面积为676m2/g，孔容积为1.20cm3/g，得到的产品中氧化锌的含量为14wt％。
实施例5
按间苯二酚(R)∶甲醛(F)∶水(W)∶醋酸锌(C)＝6g∶8.2g∶6ml∶2.4g将间苯二酚和醋酸锌混合，加入去离子水溶解，溶液变成透明时，加入甲醛充分混合后，放入烘箱中反应，形成凝胶。得到的凝胶干燥后在惰性气体保护下800℃炭化即得到纳米氧化锌掺杂的块体多孔炭。氮吸附测试结果表明其比表面积为688m2/g，孔容积为1.06cm3/g，得到的产品中氧化锌的含量为24wt％。该颗粒经由X-ray衍射分析，证明为六方晶系氧化锌晶体，根据Scherrer公式计算的晶粒粒径为23nm。
实施例6
将所得的块体多孔炭材料进行抗菌实验。取无菌5ml注射器外筒2个，下端用两层无菌滤纸封口，然后各装入1g无菌负载氧化锌纳米颗粒的活性碳纤维。将大肠杆菌/金黄葡萄球菌菌液以自然流速通过负载氧化锌纳米颗粒的活性碳纤维柱层。取作用后的菌悬液，涂布于无菌培养基上，将各培养基搁置桌面30min，以使菌液被培养基充分吸收，然后将其倒置于恒温培养箱内培养24h。然后取出平板进行菌落计数，并计算杀菌率。实验证明，纳米氧化锌掺杂的块体多孔炭材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率为100％。
Claims (3)
1.一种纳米氧化锌掺杂的高比表面积块体多孔炭的制备方法：其特征在于，该方法是以间苯二酚和甲醛为反应单体，水作溶剂，加入醋酸锌作为催化剂，配制成酚醛溶液；各成分配比为：间苯二酚/醋酸锌＝5～200摩尔比，间苯二酚/甲醛＝0.5摩尔比，间苯二酚/水＝0.2～1.6质量比；先将醋酸锌和间苯二酚混合，然后加入水，搅拌至溶液澄清，再加入甲醛充分混合，将配制好的酚醛溶液放入密闭的反应容器中老化，取出后，常压条件下干燥，在惰性气体中炭化得到多孔炭，炭化过程产生的氧化锌可作为活化剂促进多孔炭的活化开孔；老化的时间是2～4天，温度是50～90℃；干燥条件是常压烘干，烘干的温度是50～90℃，时间是6～24小时；炭化的温度为500～850℃，炭化时间是2～4小时。
2.按照权利要求1所述的一种纳米氧化锌掺杂的高比表面积块体多孔炭的制备方法，其特征在于，所述的间苯二酚/水＝0.2～0.8质量比。
3.按照权利要求1所述的一种纳米氧化锌掺杂的高比表面积块体多孔炭的制备方法，其特征在于，所述的惰性气体为氮气。
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