一种在多孔材料中负载易升华物质的方法与流程

本发明属于环保或新能源领域，具体涉及一种在多孔材料中负载易升华物质的方法。

背景技术：

随着人类工业化进程的推进，地球资源日益枯竭，人们在急于寻找新型能源的同时，加倍关注对已有能源的可循环利用。另外使用化石燃料导致的环境污染问题也被环保人士及科学家们饱受诟病。我国自上世纪八十年代以来，国民经济快速发展的同时，资源枯竭与环境污染的问题也日益突显。我国作为煤炭大国，煤炭资源占总资源储量的一半以上，而煤炭资源在开采、加工、发电应用中常常伴随着巨大的废弃物，其产生的工业三废(废渣、废水、废弃)一直以来是我国工业绿色改革、可循环发展的关键问题。

多孔材料，多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成。多孔材料按孔径尺寸分类的方法源国际纯化学及应用化学组织，为推动多孔材料的研究，推荐了上述专门术语。按照孔径大小的不同，多孔材料又可以分为微孔(孔径小于2nm)材料、介孔(孔径2-50nm)材料和大孔(孔径大于50nm)材料。多孔材料可由多种金属和合金以及难熔金属的碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等制成。近年来多孔碳材料因其优异的性能收到工业界和新能源领域的关注。

多孔碳材料是指具有不同孔结构的碳素材料，其孔径大小从相当于分子大小的纳米级超细微孔直到适应微生物增殖及活动的微米级细孔。多孔碳材料具有低密度、低热膨胀系数、高热导率、高电导率、高强度，且具有巨大的比表面积，另外多孔碳材料还能够耐腐蚀、抗氧化，良好的可加工性能。因此，多孔碳材料在气体和液体的精制、分离以及水处理、空气净化等方面已得到广泛的应用。

近年来，多孔材料由于其优异的导电性能和表面吸附性能，在能源材料领域发挥了重要作用，将其作为催化剂的良好载体，可以大大加速化学反应速率，将其作为超级电容器或二次锂硫电池的电极材料表现出优异的电化学性能。

现有的多孔材料负载单质易升化物质的方法主要有：

(1)吸附法：将多孔材料进行压块封装组成吸附袋或吸附模块，利用其优异的表面吸附能力将通过的含易升化物质废气中的易升化物质元素进行吸附。该方法虽然工艺简单，但未能充分利用多孔材料高比表面积及孔容，易中毒，负载易升化物质效率低下。

(2)溶剂交换法：将易升化物质单质溶解于乙醇、乙醚、二硫化碳、四氯化碳、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、环己烷、甲苯和苯有机溶剂中，将上述溶剂浸渍多孔材料，再将有机溶剂蒸发后，单质易升化物质重新析出负载在多孔材料中。但该方法中有机溶剂难以进入微孔结构，导致负易升化物质不充分且不够均匀，且有机溶剂多有毒性，蒸发后需要回流冷凝以回收利用，导致工艺复杂，成本难以下降。

(3)热处理法：将单质易升化物质和多孔材料按照一定比例混合，搅拌球磨后密封于特制容器中，抽真空或通入惰性气氛保护，再送入热处理炉中在40～150℃处理1～8小时，再加热到300℃以上处理1～3小时，去除未复合良好的多余单质易升化物质，随炉冷却至室温，即可完成多孔材料负载单质易升化物质工艺。这种方法工艺条件较为苛刻，负载时间较长，难以实现自动化工艺。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种在多孔材料中负载易升华物质的方法，该方法工艺简单、成本低、负载易升化物质量高且易升化物质单质分布均匀。

本发明所采用的技术方案是，一种在多孔材料中负载易升华物质的方法，该方法基于蒸发冷却装置，具体结构为：包括密封容器，密封容器上连通有冷却装置和惰性气体管，冷却装置连接有真空泵；

具体方法为：

步骤1，将单质易升华物质加入密封容器中，将预处理后的多孔材料装载在冷却装置中；

步骤2，向密封容器中通入惰性气氛，并打开真空泵，使密封容器中保持负压，至完全排除蒸发冷却装置中的空气；

步骤3，对密封容器进行加热，使单质易升化物质受热升华为易升化物质蒸汽，并逐渐充满冷却装置；

步骤4，开启冷却装置，根据多孔碳材料质量保持负载一定时间，得到负载量高、分布均匀的复合材料。

本发明的特点还在于，

步骤1中多孔材料为多孔碳材料、介孔硅材料、沸石分子筛或者泡沫镍。

步骤1中单质易升华物质为单质硫、单质碘、单质萘或三氯化铝。

冷却装置为冷凝管、多管冷却器或者冷却塔。

步骤1中多孔材料的预处理是将多孔材料用去离子水清洗后在80～100℃下干燥10～24h。

步骤2中向密封容器中通入惰性气氛，并打开真空泵，使密封容器中保持负压-0.1～-10.0Mpa，保持30s～30min至完全排除蒸发冷却装置中的空气。

步骤2中惰性气氛为氮气、氦气、氖气、氩气或氙气。

步骤3中加热温度为300～500℃。

本发明的有益效果是，本发明在多孔材料中负载易升华物质的方法，具有以下特点：

(1)绿色环保、高效均匀：本发明通过将单质易升化物质气化后在多孔材料表面凝结实现负载易升化物质，反应温度较低(300℃即可)，无废弃物产生，气相易升化物质更容易进入多孔材料的多级孔道结构中，充分发挥多孔材料的结构优势，从而提高多孔材料的负载量，另一方面由于气相易升化物质冷却速度快，凝固后颗粒粒径细小，从而优化多孔材料负载易升化物质的均匀程度；

(2)负载工艺简单，易于扩大、自动化：本发明方法中，在完成仪器布置后，基本不需人工操作，即可完成。若能提供源源不断的易升化物质源和连续更换的多孔材料即可实现自动化连续批量生产。

综上所述，本发明提出了一种简便易操作、易于自动化的多孔材料负载单质易升化物质的方法，且获得的易升化物质/多孔材料的复合材料具有载量高、分布均匀的特性，可用于含有易升化物质的工业废气的高效处理，也可以用于制备均匀高效复合的新型复合材料。

附图说明

图1是本发明方法中所用蒸发冷却装置的结构示意图；

图中，1.密封容器，2.惰性气体管，3.冷却装置。

图2是实施例1中获得的负硫多孔碳复合材料的热重曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明在多孔材料中负载易升华物质的方法，该方法基于蒸发冷却装置，如图1所示，具体结构为：包括密封容器1，密封容器1上连通有冷却装置3和惰性气体管2，冷却装置3连接有真空泵；冷却装置3为冷凝管、多管冷却器或者冷却塔；

具体方法为：

步骤1，将单质易升华物质加入密封容器1中，将预处理后的多孔材料装载在冷却装置3中；多孔材料的预处理是将多孔材料用去离子水清洗后在80～100℃下干燥10～24h；其中多孔材料为多孔碳材料、介孔硅材料、沸石分子筛或者泡沫镍；单质易升华物质为单质硫、单质碘、单质萘或三氯化铝；

步骤2，向密封容器1中通入惰性气氛(惰性气氛为氮气、氦气、氖气、氩气或氙气)，并打开真空泵，使密封容器1中保持负压-0.1～-10.0Mpa，保持30s～30min至完全排除蒸发冷却装置中的空气；

步骤3，对密封容器1进行加热至300～500℃，使单质易升化物质受热升华为易升化物质蒸汽，保持1s～10min使蒸汽充满冷却装置3；

步骤4，开启冷却装置3，根据多孔材料质量保持负载10s～1h，得到负载量高、分布均匀的复合材料。

实施例1

(1)预处理乙炔黑多孔碳材料及所使用的容器导管：将1g乙炔黑多孔碳材料和所使用的容器和导管使用去离子水清洗后一并放入鼓风干燥箱中80℃下干燥10h，去除表面水分；

(2)将1g单质硫放入密封容器中，冷却装置(冷凝管)内部装载1g乙炔黑多孔碳材料；

(3)通入氮气，并打开真空泵，调节气瓶和真空泵气阀使密封容器内保持-0.1Mpa，保持30s至完全排除整个装置中的空气；

(4)对密封容器加热至温度为500℃左右，密封容器中的单质硫受热升华为硫蒸汽，硫蒸汽在负压驱动下进入冷却装置，保持1s使硫蒸汽充满冷却装置；

(5)开启冷凝管内水循环，对管内硫蒸汽进行快速冷却；

(6)保持负硫工艺10s，即可获得负硫量高、硫分布均匀的复合材料。

图2为实施例1中所得的多孔碳负载单质硫复合材料的热重曲线图，从图2中可见多孔碳受热后重量变化很小，纯硫则完全气化，复合材料则失重55％，可以推测该复合材料中负载了55％的单质硫。

实施例2

(1)预处理介孔硅材料及所使用的容器导管：将100g介孔硅材料和所使用的容器和导管使用去离子水清洗后一并放入鼓风干燥箱中100℃下干燥24h，去除表面水分；

(2)将100g单质碘放入密封容器中，冷却装置(多管冷却器)内部装载100g介孔硅材料；

(3)通入氦气，并打开真空泵，调节气瓶和真空泵气阀使密封容器内保持-10.0Mpa，保持30min至完全排除整个装置中的空气；

(4)采用电热套加热密封容器，加热温度为300℃左右，密封容器中的单质碘受热升华为碘蒸汽，碘蒸汽在负压驱动下进入冷却装置，保持10min，使碘蒸汽充满冷却装置；

(5)开启多管冷却器，冷却方法为喷淋冷却，冷却介质为盐溶液，对管内碘蒸汽进行快速冷却；；

(6)保持该工艺1h，即可获得负载量高、碘分布均匀的复合材料。

实施例3

(1)预处理沸石分子筛及所使用的容器导管：将沸石分子筛和所使用的容器和导管使用去离子水清洗后一并放入鼓风干燥箱中90℃下干燥12h，去除表面水分；

(2)将10g单质萘放入密封容器中，冷却装置(冷凝管)内部装载50g沸石分子筛；

(3)通入氩气，并打开真空泵，调节气瓶和真空泵气阀使密封容器内保持-1.0Mpa，保持10min至完全排除整个装置中的空气；

(4)采用酒精灯加热密封容器，加热温度为500℃左右，容器中的单质萘受热升华为萘蒸汽，萘蒸汽在负压驱动下进入冷却装置，保持1min使萘蒸汽充满冷却装置；

(5)开启冷凝管，冷却方法冷媒循环冷却，冷却介质为有机溶剂；

(6)保持负萘工艺30min，即可获得负萘量高、萘分布均匀的复合材料。

实施例4

(1)预处理泡沫镍及所使用的容器导管：将泡沫镍和所使用的容器和导管使用去离子水清洗后一并放入鼓风干燥箱中100℃下干燥24h，去除表面水分；

(2)将80g三氯化铝放入密封容器中，冷却装置内部装载40g泡沫镍；

(3)通入氖气，并打开真空泵，调节气瓶和真空泵气阀使密封容器内保持负压-2.0Mpa，保持15min至完全排除整个装置中的空气；

(4)采用电热套加热密封容器，加热温度为300℃左右，密封容器中的三氯化铝受热升华为三氯化铝蒸汽，三氯化铝蒸汽在负压驱动下进入冷却装置，保持4min使三氯化铝蒸汽充满冷却装置；

(5)开启冷凝管，冷却方法为冷媒循环冷却等，冷却介质为冰水混合物；

(6)保持该工艺40min，即可获得负载量高、三氯化铝分布均匀的复合材料。