一种整体式多孔碳-碳化硅复合材料及其制备和应用_2

文档序号:9680452阅读:来源:国知局
,优选0.1?5°C /min,切换或不切换成还原性气体(优选H2、H2与惰性气体(He、Ar)、N2的混合气)保温0.5?10h,还原性气体空速(GHSV)为500?1000h \ 优选 2000 ?6000h、
[0024](b)在惰性气体(He、Ar)、N2, H2或真空条件下升温至800?1200°C,优选900?10500C,升温速率0.5?50°C /min,优选2?20°C /min,切换或不切换成含碳气体(优选但不限于甲烷、乙烯、乙炔、苯、吡咯、吡啶、呋喃、或前述物质与惰性气体(He、Ar) ,N2的混合气)保温0.5?10h,含碳气体空速(GHSV)为500?1000h \优选2000?6000h、
[0025](c)在惰性气体(He、Ar)、N2、H2或真空条件下升温至1300?2300°C,优选1500?2050°C,保温0.2?1h或不保温,优选保温0.2?Ih或不保温,升温速率0.5?50°C /min,优选2?20°C /min,降温速率2?10°C /min。
[0026]所述的含碳壳层掺杂了非金属元素,其作用在于调变碳层物理化学性质,掺杂的非金属元素包括B、N、O、S、P、,优选B、N、O、S、Cl、I。
[0027]所述覆盖含碳壳层的原位生成法是指在负载或不负载金属催化剂的条件下将含碳化硅核体与特定化学组成的气氛经过一次或多次在高温(300?KKKTC )下化学反应,反应时间0.1?5h,优选0.1?2h,消耗或不消耗部分核体而原位生成含碳壳层,其特性在于含碳壳层与含碳化硅核体连接紧密,有较高且稳定的整体机械强度。
[0028]所述的特定化学组成可以是含氯气氛、含碳气氛、其他掺杂气氛、惰性气体(He、Ar)、N2或H2,也可以是前述气氛的混合物。所述含氯气氛包括CC14、CHC13、CH2C12、CH3C1、此1,优选(:12、0:14、!1(:1,更优选CC14;含碳气氛包括甲烷、乙烯、乙烷、乙腈、苯、萘、吡咯、批啶、呋喃,优选甲烷、乙烯、乙腈、苯、卩比略、卩比唆;其他掺杂气氛包括含有Β、N、0、S、P、F、C1、Br、I元素的化合物,优选硼烷、氨气、氨硼烷、乙硼烷、二甲基胺硼烷、二硫化碳、二氧化硫、二氧化碳、Ν0χ(χ = 0.5?2.5)、氧气、臭氧、水蒸气、P0x(x = 1.5?2.5)、三氯化磷、三氟氧磷、溴化氢、碘化氢中的一种或多种。
[0029]所述覆盖含碳壳层的含碳前驱体聚合碳化法是指在负载或不负载金属催化剂的条件下通过特定含碳前驱体经过聚合、碳化、再活化而在SiC核体表面覆盖碳层,其特性在于生成的含碳壳层因特定含碳前驱体的聚合特性与含碳化硅核心紧密接合。
[0030]所述特定含碳前驱体包括葡萄糖、果糖、蔗糖、吡咯、吡啶、呋喃、乙烯基吡咯、乙烯基吡啶、乙烯基呋喃、乙烯基吡咯酮、乙烯基吡啶酮、乙烯基呋喃二酮、丙烯酸、丙烯酰胺、苯乙烯、二乙烯基苯中的一种或多种。
[0031]所述的聚合条件可以是在空气、惰性气体(He、Ar)或N2下20?200°C聚合,也可以是水热条件(160?220°C )缩聚,聚合时间优选0.5?60h。
[0032]所述的碳化条件是在惰性气体(He、Ar)或N2下300?1000°C热处理,处理时间优选 0.5 ?10ho
[0033]所述的再活化是指使前述碳化后样品掺杂其他非金属元素或是增大比表面积的过程。所述掺杂其他非金属元素的方法是将前述碳化后样品在掺杂气氛下经过一次或多次的300?1000°C热处理,处理时间优选0.5?10h。所述掺杂气氛包括含有Η、Β、N、0、S、P、F、Cl、Br、I元素的化合物,优选氢气、硼烷、氨气、氨硼烷、乙硼烷、二甲基胺硼烷、二硫化碳、二氧化硫、二氧化碳、Ν0χ(χ = 0.5?2.5)、氧气、臭氧、水蒸气、P0x(x = 1.5?2.5)、三氯化磷、三氟氧磷、溴化氢、碘化氢中的一种或多种,以及所述掺杂化合物与惰性气体(He、Ar)或队的混合气。所述增大比表面积的方法包括常见的磷酸活化法、氢氧化钾或氢氧化钠活化法、二氧化碳活化法。所述磷酸活化法是指将前述碳化后样品与磷酸溶液混合,以质量比优选1:1.5?1:6,磷酸溶液的浓度优选30?85%,然后混合物在惰性气体(He、Ar)或N2下在300?600°C处理0.5?5h,气体空速(GHSV)优选2000?6000h \升温速率优选0.2?20°C /min。所述氣氧化钾或氣氧化钠活化法是指将前述碳化后样品与氣氧化钾固体或氢氧化钠固体混合,以质量比优选1:1.5?1:6,然后混合物在惰性气体(He、Ar)或N2下在600?1000°C处理0.5?5h,气体空速(GHSV)优选2000?10000h \升温速率优选1?20°C /min。所述二氧化碳活化法是指将前述碳化后样品在C02气氛下在600?1000°C处理2?20h,气体空速(GHSV)优选2000?10000h \升温速率优选1?20°C /min。
[0034]所述的在覆盖含碳壳层时负载的所谓金属催化剂是指经高温还原后的含金属催化剂,其作用在于促进和调节含碳壳层的生成,以调变碳层物理化学性质。所述负载的金属催化剂所含金属元素包括 Cr、Fe、Co、N1、Cu、Zn、Mo、Ag、Sn、La、Ce、W、Au,优选 Fe、Co、N1、Mo、Ag、Ce。所述催化剂可以是氧化剂或自由基引发剂,优选但不限于氯化铁、过硫酸钠、双氧水、偶氮二异丁腈、过氧化二苯甲酰中的一种或多种。
[0035]所述高温还原是指在惰性气体(He、Ar)、N2、H2、CO或真空条件下,保持在高温300?600°C处理(λ 5?10h,升温速率优选I?20°C /min。
[0036]所述整体式多孔碳-碳化硅复合材料,其电导率介于0.01?50S/cm ;其导热系数介于I?300W/ (mK);其孔隙率介于30?95 %,优选50?90 %,更优选60?90 %;其平均孔径介于2 μ m?5mm,优选20?500 μ m,更优选20?100 μ m ;其比表面积介于I?500m2/g,优选 10 ?300m2/g ;更优选 50 ?200m2/go
[0037]本发明基于长期的SiC材料和碳材料的研究基础上,提供了一种整体式多孔碳-碳化硅复合材料及其制备方法,通过特定助烧结剂的添加,在不影响导热性和导电性的前提下使高孔隙率的含碳化硅核体具有了高机械强度和活性的表面。通过非金属元素的掺杂和合成条件的变化,可控的调变了含碳壳层的物理化学性质。通过原位的生成或特定的聚合碳化,使含碳壳层与含碳化硅核体的结合具有较高且稳定的机械强度。综上,本发明的这种复合材料具有高比表面积、易活化表面、耐酸碱腐蚀、耐高温、良好的导热性和导电性、较高且稳定的机械强度、较低的气体通过压力降、制备成本低廉等特点,可以用作负载金属催化剂的载体或直接用作非金属催化剂,从而解决现有工业活性炭催化载体的易粉化、易堵塞、难成型、价格闻等缺陷。
【附图说明】
[0038]图1复合材料的扫描电镜形貌图;左图(A)显示出具有大孔的碳-碳化硅复合材料;右图(B)显示出碳化硅核体内部孔表面覆盖的含碳壳层。
【具体实施方式】
[0039]该复合材料是首先通过将碳化硅粉、硅粉、含碳粉末、助烧结剂在水中充分搅拌分散,然后利用冰晶造孔法或有机聚合物泡沫模板造孔法制成胚体,经过高温烧结后制得整体式碳化硅核体,在不影响导热性和导电性的前提下使高孔隙率的含碳化硅核体具有了高机械强度和活性的表面;然后通过原位生成法或含碳前驱体聚合碳化法在多孔SiC核体孔道上生成一层具有较高机械强度且稳定的含碳壳层。通过非金属元素的掺杂和合成条件的变化,可控的调变了含碳壳层的物理化学性质。本发明的这种复合材料具有高比表面积、易活化表面、耐酸碱腐蚀、耐高温、良好的导热性和导电性、较高且稳定的机械强度、较低的气体通过压力降、制备成本低廉等特点,可以用作负载金属催化剂的载体或直接用作非金属催化剂,从而解决现有工业活性炭催化载体的易粉化、易堵塞、难成型、价格高等缺陷。
[0040]实施例1
[0041]称取100 目 SiC 粉 10.0g, 100 目 Si 粉 6.5g,乙炔炭粉 2.8g,100 目 Fe 粉 1.5g,倒入24mL的0.5%琼脂糖溶液中,80°C搅拌30min。形成的浆料倒入内径2cm,长1cm的圆柱形聚四氟模具中,室温冷却2h,再放入-30°C冰箱中冷冻2h。冷冻物取出放入冻干机中冻干48h制得胚体。将胚体至于石墨坩埚中,在50mL/min的Ar气下升温至500°C,升温速率10C /min,在 50mL/min 的 Ar 气下升温至 1000°C,升温速率 10°C /min,在 50mL/min 的 Ar 气下升温至1500°C,升温速率2V /min,保温2小时后抽真空保温2小时,炉冷降温,制得整体式多孔SiC核体。
[0042]将SiC核体密封入石英管中,在50mL/min
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