CN104117338A

CN104117338A - 一种结构色活性炭及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN104117338A
Application number: CN201410261795.1A
Authority: CN
Inventors: 顾忠泽; 仲启凤
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2014-06-12
Filing date: 2014-06-12
Publication date: 2014-10-29

Abstract

本发明公开了一种结构色活性炭及其制备方法和应用，结构色活性炭由具有孔隙结构的胶体晶体结构色材料和填充于孔隙结构内的活性炭组成。本发明还公开了一种结构色活性炭的制备方法及其应用。本发明制备的结构色活性炭用于气体吸附，以其反射峰作为指示信号，随着气体吸附程度的增大，反射峰将发生移动，相应的结构色活性炭的结构色发生变化，实现了对活性炭的气体吸附程度的指示。因此，结构色活性炭实现了活性炭材料的气体吸附及吸附饱和可视化指示的结合，解决了现有活性炭材料无法检测气体吸附程度的问题。

Description

一种结构色活性炭及其制备方法和应用

技术领域

本发明具体涉及一种结构色活性炭及其制备方法和应用。属于活性炭材料技术领域。

背景技术

2010以来，全球活性炭消费量持续快速增长，2012年全球消费总量达到120万吨，市场总额超过15亿美元，发展潜力巨大。未来全球工业环保(汞排放等)、家居/汽车环保(甲醛、异味等)、自来水净化、食品饮料精制等领域，将可能使得木质活性炭的需求出现爆发性增长。

活性炭是由含炭为主的物质作原料，经高温炭化和活化制得的疏水性吸附剂。由于活性炭含有大量大孔、微孔、介孔，具有巨大的比表面积，因此活性炭具有很强的吸附能力，是一种有效的气体吸附材料。然而活性炭材料在吸附气体之后，外观上并无明显变化，因此无法分辨该活性炭材料是否吸附饱和，是否可以继续使用。

而结构色因其具有高亮度、高饱和度、永不退色、虹彩现象、偏振效应等特点，而这些都是普通颜料色或色素色所不具备的，因此越来越受到科学界和工程界的关注。

而将结构色的颜色变化的优点与活性炭的吸附性能相结合的研究在国内外尚未有研究。

发明内容

技术问题：本发明的第一个目的是提供了一种结构色活性炭。本发明的第二个目的是提供了一种结构色活性炭的制备方法。本发明第三个目的是提供给了一种结构色活性炭在制备气体吸附剂方面的应用。

技术方案：为实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现：

本发明的结构色活性炭由具有孔隙结构的胶体晶体结构色材料和填充于胶体晶体结构色材料孔隙结构内的活性炭组成。所述胶体晶体结构色材料为胶体晶体蛋白石结构材料、胶体晶体反蛋白石结构材料。

胶体晶体蛋白石结构材料是由胶体晶体纳米粒子组装而成的，胶体晶体反蛋白石结构材料是以胶体晶体蛋白石结构材料为模板制备而成的。

本发明的结构色活性炭的制备方法为：以胶体晶体蛋白石结构材料纳米粒子制备模板，将炭前体填充至胶体晶体蛋白石结构材料纳米粒子之间的孔隙内碳化及活化，再利用腐蚀剂逐步腐蚀活性炭内的胶体晶体蛋白石结构材料纳米粒子获得结构色活性炭。

具体步骤如下：

(1)蛋白石结构胶体晶体模板的制备：将单分散的胶体晶体纳米粒子均匀分散在乙醇或水内，形成胶体溶液，制备蛋白石结构胶体晶体模板；

(2)将炭前体溶液滴至蛋白石结构胶体晶体模板上，当模板的颜色从结构色变为透明后，晾干，在惰性气体保护下，加热使炭前体溶液碳化；

(3)加入化学活化剂或通入活化气体，在高温状态下，使碳化的炭-蛋白石结构胶体晶体模板复合物中的碳活化；

(4)将活性炭-胶体晶体蛋白石模板复合物投入腐蚀剂，除去胶体粒子模板；即获得结构色活性炭。

所述胶体晶体蛋白石结构材料纳米粒子制备模板的方法包括沉积法、提拉法、旋涂法或刮膜法。

所述沉积法的胶体晶体蛋白石结构材料纳米粒子制备模板的步骤如下：将单分散的胶体晶体纳米粒子均匀分散在乙醇或水内，形成胶体溶液，将玻片垂直插入该胶体溶液中，待乙醇或水挥发殆尽，胶体晶体纳米粒子沉积在玻片表面，制得蛋白石结构胶体晶体模板；

提拉法的胶体晶体蛋白石结构材料纳米粒子制备模板的步骤如下：将单分散的胶体晶体纳米粒子均匀分散在乙醇或水内，形成胶体溶液，将玻片垂直插入该胶体溶液中，以匀速将玻片缓慢提拉出乙醇或水，胶体晶体纳米粒子在玻片表面自组装，制得蛋白石结构胶体晶体模板；

旋涂法的胶体晶体蛋白石结构材料纳米粒子制备模板的步骤如下：将单分散的胶体晶体纳米粒子均匀分散在乙醇或水内，形成胶体溶液，滴加至玻片并旋涂，胶体晶体纳米粒子在玻片表面自组装，制得蛋白石结构胶体晶体模板；

刮膜法的胶体晶体蛋白石结构材料纳米粒子制备模板的步骤如下：将单分散的胶体晶体纳米粒子均匀分散在乙醇或水内，形成胶体溶液，滴加至玻片表面，刮片在玻片表面匀速刮过，胶体晶体纳米粒子在玻片表面自组装，制得蛋白石结构胶体晶体模板。

所述单分散的胶体晶体纳米粒子为二氧化硅胶体粒子、二氧化钛胶体粒子、聚苯乙烯类聚合物胶体粒子中的一种或两种以上的任意混合；所述炭前体的碳源选自蔗糖或葡萄糖。

所述单分散的胶体晶体纳米粒子的粒径范围在50nm-1000nm之间。

所述活化方法为物理活化或化学活化；所述物理活化采用水蒸气、二氧化碳、空气或烟道气活化，所述化学活化采用硫酸、氢氧化钾、氯化锌或磷酸活化。

所述腐蚀剂为氢氟酸、氢氧化钠、焦硫酸钾或四氢呋喃溶液中的一种。

本发明的结构色活性炭在制备气体吸附剂方面的应用。

该活性炭在气体吸附中的应用及在气体吸附饱和情况下的可视化指示。在进行气体吸附时，所述结构色活性炭的反射峰发生变化，用于吸附程度的检测。通过结构色活性炭的颜色发生改变，用于指示结构色活性炭是否达到气体吸附饱和。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点如下：本发明制备的结构色活性炭用于气体吸附，以其反射峰作为指示信号，随着气体吸附程度的增大，反射峰将发生移动，相应的结构色活性炭的结构色发生变化，实现了对活性炭的气体吸附程度的指示。因此，结构色活性炭实现了活性炭材料的气体吸附及吸附饱和可视化指示的结合，解决了现有活性炭材料无法检测气体吸附程度的问题。

附图说明

图1是本发明结构色活性炭的制备及吸附饱和可视化示意图；

其中1为蛋白石结构胶体晶体模板；2为蛋白石结构胶体晶体模板内填充炭前体；3为蛋白石结构胶体晶体模板内填充炭前体经碳化及活化；4为腐蚀掉蛋白石胶体晶体模板后的反蛋白石结构活性炭材料。

图2(a)结构色活性炭在吸附乙醇前后的光谱变化；(b)结构色活性炭在吸附不同气体后的反射峰的位置的变化。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例1 基于化学活化的结构色活性炭的制备之一

1.蛋白石结构胶体晶体模板的制备：

将直径为250纳米的单分散性二氧化硅球形纳米粒子均匀分散在乙醇溶液中，形成胶体溶液，将玻片垂直插入该胶体溶液中，待乙醇挥发殆尽，二氧化硅纳米粒子沉积在玻片表面，制得蛋白石结构胶体晶体模板。

2.碳化及活化：

炭前体溶液为糖、水、乙醇、浓硫酸的混合溶液，其摩尔比为(0-10):(40-50):(40-80):(0-1)，将炭前体溶液滴至蛋白石结构胶体晶体模板表面，使炭前体溶液填充至二氧化硅纳米粒子孔隙内，在氩气保护下加热至700度并保持2小时使前体溶液碳化及活化得到活性炭-二氧化硅模板复合物，降至室温后，用0.5M的盐酸清洗至PH＝6。

3.蛋白石结构胶体晶体模板的去除：

将活性炭-二氧化硅模板复合物浸泡入氢氟酸溶液，得到结构色活性炭。

实施例2 基于化学活化的结构色活性炭的制备之二

1.蛋白石结构胶体晶体模板的制备：

蛋白石结构胶体晶体模板采用沉积法制备，将直径为50纳米的单分散性二氧化钛胶体粒子均匀分散在乙醇溶液中，形成胶体溶液，将玻片垂直插入该胶体溶液中，待乙醇挥发殆尽，二氧化硅纳米粒子沉积在玻片表面，制得蛋白石结构胶体晶体模板。

2.碳化及活化：

炭前体溶液为糖、水、乙醇、浓硫酸的混合溶液，其摩尔比为1:40:60:0.2，将炭前体溶液滴至蛋白石结构胶体晶体模板表面，使炭前体溶液填充至二氧化钛胶体孔隙内，在氩气保护下加热至700度并保持2小时使前体溶液碳化及活化得到活性炭-二氧化钛模板复合物，降至室温后，用0.5M的盐酸清洗至PH＝6。

3.蛋白石结构胶体晶体模板的去除：

将活性炭-氧化钛模板复合物浸泡入氢氧化钠溶液，得到结构色活性炭。

实施例3 基于化学活化的结构色活性炭的制备之三

1.蛋白石结构胶体晶体模板的制备：

蛋白石结构胶体晶体模板采用沉积法制备，将直径为1000纳米的单分散性二氧化硅球形纳米粒子均匀分散在乙醇溶液中，形成胶体溶液，将玻片垂直插入该胶体溶液中，待乙醇挥发殆尽，二氧化硅纳米粒子沉积在玻片表面，制得蛋白石结构胶体晶体模板。

2.碳化及活化：

炭前体溶液为糖、水、乙醇、浓硫酸的混合溶液，其摩尔比为1:40:60:0.2，将炭前体溶液滴至蛋白石结构胶体晶体模板表面，使炭前体溶液填充至二氧化硅纳米粒子孔隙内，在氩气保护下加热至700度并保持2小时使前体溶液碳化及活化得到活性炭-二氧化硅模板复合物，降至室温后，用0.5M的盐酸清洗至PH＝6。

3.蛋白石结构胶体晶体模板的去除：

将活性炭-二氧化硅模板复合物浸泡入焦硫酸钾溶液，得到结构色活性炭。

实施例4 基于物理活化的反蛋白石结构活性炭材料的制备之一

1.蛋白石结构胶体晶体模板的制备：

2.碳化及活化：

炭前体溶液为糖、水、乙醇、浓硫酸的混合溶液，其摩尔比为1:40:60:0.2，将炭前体溶液滴至蛋白石结构胶体晶体模板表面，使炭前体溶液填充至二氧化硅纳米粒子孔隙内，在氩气保护下加热至700度并保持2小时使前体溶液碳化，降至室温后，在氩气保护下再升温至900度，并在二氧化碳环境下保持4小时，进行活化得到活性炭-二氧化硅模板复合物。

3.蛋白石结构胶体晶体模板的去除：

实施例5 基于物理活化的反蛋白石结构活性炭材料的制备之二

1.蛋白石结构胶体晶体模板的制备：

2.碳化及活化：

3.蛋白石结构胶体晶体模板的去除：

实施例6 基于物理活化的反蛋白石结构活性炭材料的制备之三

1.蛋白石结构胶体晶体模板的制备：

2.碳化及活化：

3.蛋白石结构胶体晶体模板的去除：

实施例7 结构色活性炭用于气体吸附的性能测试

(1)反射光谱变化：

将结构色活性炭至于气体测试腔内，通入气体，以光纤光谱仪检测结构色活性炭的反射光谱及光谱变化。如图2所示。

(2)吸附量：

将一定质量的结构色活性炭至于气体测试腔内，通入气体，以光纤光谱仪检测结构色活性炭的反射光谱及光谱变化，直至其光谱不再变化，计算其饱和状态下气体吸附量。

(3)吸附饱和可视化：

将0.08g一定质量的结构色活性炭至于气体测试腔内，记录结构色活性炭的颜色结构色活性炭材料为紫色，通入气体，以光纤光谱仪检测结构色活性炭的反射光谱及光谱变化，直至其光谱不再变化，认定为吸附饱和，此时再次记录反蛋白石结构活性炭材料的颜色，结构色活性炭材料为紫色变为蓝绿色，与气体吸附前的颜色进行比较。

上述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

Claims

1.一种结构色活性炭，其特征在于，它由具有孔隙结构的胶体晶体结构色材料和填充于胶体晶体结构色材料孔隙结构内的活性炭组成。

2.根据权利要求1所述的一种结构色活性炭，其特征在于，所述胶体晶体结构色材料为胶体晶体蛋白石结构材料、胶体晶体反蛋白石结构材料。

3.一种如权利要求2所述的结构色活性炭的制备方法，其特征在于，以胶体晶体蛋白石结构材料纳米粒子制备模板，将炭前体填充至胶体晶体蛋白石结构材料纳米粒子之间的孔隙内碳化及活化，再利用腐蚀剂逐步腐蚀活性炭内的胶体晶体蛋白石结构材料纳米粒子获得结构色活性炭；

具体步骤如下：

4.根据权利要求3所述的结构色活性炭的制备方法，其特征在于，所述胶体晶体蛋白石结构材料纳米粒子制备模板的方法包括沉积法、提拉法、旋涂法或刮膜法。

5.根据权利要求4所述的结构色活性炭的制备方法，其特征在于，所述沉积法的胶体晶体蛋白石结构材料纳米粒子制备模板的步骤如下：将单分散的胶体晶体纳米粒子均匀分散在乙醇或水内，形成胶体溶液，将玻片垂直插入该胶体溶液中，待乙醇或水挥发殆尽，胶体晶体纳米粒子沉积在玻片表面，制得蛋白石结构胶体晶体模板；

6.根据权利要求5所述的结构色活性炭的制备方法，其特征在于，所述单分散的胶体晶体纳米粒子为二氧化硅胶体粒子、二氧化钛胶体粒子、聚苯乙烯类聚合物胶体粒子中的一种或两种以上的任意混合；所述炭前体的碳源选自蔗糖或葡萄糖。

7.根据权利要求5所述的结构色活性炭的制备方法，其特征在于，所述单分散的胶体晶体纳米粒子的粒径范围在50nm-1000nm之间。

8.根据权利要求3所述的结构色活性炭的制备方法，其特征在于，所述活化方法为物理活化或化学活化；所述物理活化采用水蒸气、二氧化碳、空气或烟道气活化，所述化学活化采用硫酸、氢氧化钾、氯化锌或磷酸活化。

9.根据权利要求3所述的结构色活性炭的制备方法，其特征在于，所述腐蚀剂为氢氟酸、氢氧化钠、焦硫酸钾或四氢呋喃溶液中的一种。

10.一种如权利要求1所述的结构色活性炭在制备气体吸附剂方面的应用。