一种整体式多孔碳-碳化硅复合材料及其制备和应用_4

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其体积的60%,搅动片刻后再次浸入浆液,重复浸润、压缩步骤三次,取出立方体,在80%湿度下60°C干燥24h。将胚体至于刚玉坩祸中,在100mL/min的Air气下升温至500°C,升温速率0.5°C /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5°C /min,保温2h后炉冷降温,制得整体式多孔SiC核体。
[0068]将SiC核体密封入石英管中,以5°C /min升温速率加热至800°C,通入50mL/min的Ar、5mL/min的Cl2,保温0.5h,切换至50mL/min的Ar炉冷,制得整体式碳_碳化娃复合材料。
[0069]实施例10
[0070]称取粒径1ym的SiC粉10.0g、100目Si粉6.5g,混匀后等体积浸溃含0.8gFe (NO)3的溶液,干燥后置于石英管中,在50mL/minH2下升温至500°C还原2h,在100mL/minAr中升温至800°C再通入100mL/min Ar和50mL/min卩比唆蒸气,保温Ih,降温后将粉末倒入24mL的水中,充分搅拌。形成的浆料倒入内径2cm,长1cm的圆柱形聚四氟模具中,放入液氮中冷冻0.5h。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100mL/min的Ar气下升温至500°C,升温速率1°C /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5°C /min,保温2h后炉冷降温,制得整体式多孔SiC核体。
[0071]将SiC核体放入新配置的pH 8.6的0.2% w/v多巴胺盐酸盐溶液中搅拌20h,将所制得的碳-碳化硅复合材料取出后在50mL/min的Ar气下升温至800°C,升温速率5°C /min,保温2h后炉冷降温,制得N掺杂的碳-碳化硅复合材料。
[0072]5mL/min的Cl2,保温0.5h,切换至50mL/min的Ar炉冷,制得整体式碳_碳化娃复合材料。
[0073]实施例11
[0074]称取粒径10 μ m的SiC粉IL 8g,石墨烯0.5g,倒入24mL的水中,充分搅拌。形成的浆料倒入内径2cm,长1cm的圆柱形聚四氟模具中,放入液氮中冷冻0.5h。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lOOmL/min的Ar气下升温至500°C,升温速率1°C /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5°C /min,保温2h后炉冷降温,制得整体式多孔SiC核体。
[0075]将SiC核体放入装有30mL 10%淀粉溶液的水热釜中,在200°C下保温24h,将所制得的碳-碳化娃复合材料取出后在50mL/min的Ar气下升温至1000°C,升温速率5°C /min,保温2h后炉冷降温,制得整体式碳-碳化硅复合材料。
[0076]应用例I
[0077]碳-碳化硅复合材料负载5%的Ni金属后作为高炉气甲烷化的催化剂,500°C空速(GHSV) 20000下一氧化碳转化率可达90%,选择性98%,因其高导热性在此放热反应中有良好的稳定性,反应温度为550°C时催化剂活性100小时内稳定。
[0078]应用例2
[0079]碳-碳化硅复合材料掺6%的氮之后不负载金属催化剂可直接作为乙炔氢氯化的催化剂,在工业空速(GHSV)30h 1下达到现行汞催化剂活性的90%,实验室稳定性高于200小时。
【主权项】
1.一种整体式多孔碳-碳化硅(C-SiC)复合材料,其特性在于:所述复合材料由整体式多孔含碳化硅(Sic)的核体以及覆盖在其上的含碳(C)壳层组成。2.按照权利要求1所述的复合材料,其特性在于: 所述覆盖在其上是指壳层覆盖在核体的内部孔道表面,或壳层覆盖在核体的外表面及核体的内部孔道表面; 含碳壳层是指以C为主,掺杂其他非金属元素中的一种或二种以上形成的纳米管、或石墨烯、或无定形结构碳的中的一种或二种以上。3.按照权利要求1或2所述的复合材料,其特性在于: 含碳化硅的核体是以含Sic核体的总重量为100%计,SiC含量为30?100%,核体元素的重量比例为60?90%的Si,10?40%的C,0?10%的B,0?10%的N、0?10%的0、0?10%的C1,0?10%的Cr,0?10%的Μη,0?10%的Fe,0?10%的Co,以及0?10%的 Ni ; 含碳壳层包括碳壳层或者其它非金属杂原子掺杂的碳壳层,以含碳壳层的总重量为100%计,C含量为20?100%,其他非金属元素的含量不超过20含碳壳层掺杂了其它非金属兀素,其作用在于调变碳层物理化学性质,掺杂的非金属兀素包括B、N、0、S、P、F、Br>Cl、I中的一种或二种以上,优选8、队0、5、(:1、I中的一种或二种以上; SiC核体和含碳壳层的重量比例为20:1?8:1。4.一种权利要求1、2或3所述的复合材料的制备方法,其特性在于: 1)含碳化硅的核体以SiC与下述添加物质中的一种或二种以上为原料,原料混合首先经过造孔形成整体式多孔胚体,然后经过热处理烧结而成的整体式的多孔陶瓷; 添加物质包括:S1、C、B、Cr、Mn、Fe、Co、Ni单质中的一种或二种以上,Cr、Mn、Fe、Co、Ni中的一种或二种以上的硼化物、氮化物、碳化物、硅化物、氧化物、氯化物、氢氧化物、碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐、硅酸盐中的一种或二种以上,B的碳化物,Si的氮化物,B的氮化物; 2)覆盖含碳壳层的方法包括原位生成法或含碳前驱体聚合碳化法。5.按照权利要求4所述的制备方法,其特性在于:含碳化硅核体制备过程中的整体式胚体所含物质主要为:粒径介于0.02?20 μ m的SiC粉末、粒径介于0.02?20 μ m的Si粉末、粒径介于0.02?20 μ m的含碳粉末;其中不添加或还可以添加粒径介于0.02?20 μ m的助烧结剂粉末; SiC粉末、Si粉末、含碳粉末、助烧结剂粉末间的重量比例20?90%的SiC粉末,5?75%的Si粉末,0.1?25%的含碳粉末,0?10%的助烧结剂粉末; 该助烧结剂粉末优选但不限于Cr、Μη、Fe、Co、N1、Β、Β的碳化物,以及可以经过高温还原而得到前述助烧结剂的化合物粉末,优选但不限于氧化铁、硝酸铁、硫酸铁、氯化铁、氢氧化铁、氧化钴、硝酸钴、硫酸钴、氯化钴、氢氧化钴、氧化镍、硝酸镍、硫酸镍、氯化镍、氢氧化镍、氧化铬、硝酸铬、硫酸铬、氯化铬、氢氧化铬,助烧结剂粉末不仅有助于碳化硅烧结或是Si与C反应烧结成碳化硅的添加剂,而且其添加不会很大程度上降低SiC的导热和导电特性。6.按照权利要求5所述的制备方法,其特性在于: 含碳粉末为下述中的一种或二种以上; 含碳粉末可以是经高温还原碳化的含碳的化合物或聚合物,含碳的化合物或聚合物优选但不限于淀粉、纤维素、聚吡咯、聚呋喃、聚苯乙烯、聚乙烯、酚醛树脂中的一种或二种以上; 或,也可以是碳水化合物(优选但不限于葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、纤维素中的一种或二种以上)在水热条件下(160?220°C )碳化形成的含碳粉末; 或,也可以是含碳单体(优选但不限于葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、吡略、吡唆、呋喃、苯乙烯中的一种或二种以上)经催化剂(优选但不限于浓硫酸、双氧水、三氯化铁、过硫酸铵、偶氮二异丁腈、过氧化二苯甲酰中的一种或二种以上)聚合碳化的含碳粉末; 或,也可以是在胚体烧结过程中原位通含碳气体(优选但不限于甲烷、乙烯、乙炔、苯、吡咯、吡啶、呋喃中的一种或二种以上)生成的含碳粉末。7.按照权利要求4所述的制备方法,其特性在于:整体式多孔胚体的造孔方法包括冰晶造孔法或有机聚合物泡沫模板造孔法; 所述冰晶造孔法由以下步骤组成: (a)将组成整体式多孔胚体的组分以所需比例分散在水中,所添加的组分粉体的体积与水的体积比为0.1-1,优选0.1-0.4 ;在添加或不添加凝胶剂的作用下2?80°C充分搅拌,凝胶剂是指在加热溶解于水冷却后使溶液凝胶的物质,优选但不限于琼脂、琼脂糖、明胶、淀粉、正硅酸乙酯,凝胶剂添加量为所用水的重量的0.5?10%,优选0.5?5% ; (b)将所得浆料注入模具,凝胶或不凝胶后冷冻结冰,冰晶从浆料中析出;模具优选石膏、聚四氟乙烯、可加工陶瓷或钢等常见材料,尺寸优选圆柱形(长度优选Icm?10m,直径优选0.5?50cm)、圆环柱形(长度优选Icm?1m,外直径优选0.5?50cm,壁厚0.1?1cm)、方柱形(长度优选Icm?1m,截截面最大尺寸优选0.5?50cm)或球形(直径优选0.5?50cm),冷冻温度-20?_190°C,优选-30?_70°C,冷冻时间0.2?20h,优选0.5?5h, (C)将所得冷冻物干燥,去除冰晶形成孔道,干燥方法优选但不限于冷冻干燥法或湿度控制干燥法,其目的是减少一般
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