一种用无机盐模板辅助制备多孔碳纳米材料的方法及其用途与流程

本发明涉及一种用无机盐模板辅助制备多孔碳纳米材料的方法及其用途，属于环境功能材料制备技术领域。

背景技术：

亚甲基蓝是一种典型的高共轭阳离子有机染料，广泛应用于制造墨水和色淀及生物、细菌组织的染色等领域。但是，亚甲基蓝具有一定的生物毒性，进入环境中会造成水体污染同时，会在微生物中进行转移和传播并产生毒效应。滥用亚甲基蓝已经导致生态环境中不安全残留。国内外学者研究已经证实了在土壤和水环境中存在亚甲基蓝残留，引起了环境生态学的广泛关注。因此，建立和发展有效和经济适用处理手段来移除环境中的亚甲基蓝残留是极为迫切的。

多孔碳材料是指具有不同孔结构的碳素材料，其具有从等同分子大小的纳米级超细微孔到适于微生物生殖活动的微米级细孔的广泛孔径。制备多孔碳材料的主要步骤为：(1)选择合适的富集碳元素的物质为原料进行碳化；(2)对碳化产物进行活化制孔。多孔碳材料具有高比表面积和丰富的孔体积、耐高温、耐酸碱和良好的稳定性，并且具有广泛的实用性。多孔碳材料广泛应用于气体和液体的精制、分离、空气净化等领域。近年来，越来越多的科研工作者致力于多孔碳材料在水环境中治理中的应用。

由于多孔碳传统制备采用传统的水蒸气物理活化法，因此存在一些缺陷，诸如：1、活化温度较高，制得的材料孔径不理想，吸附能力不高；2、多孔碳材料的产率低，不利于工业生产。为了较好地解决传统活化法的缺陷，化学活化法作为一种新的技术应运而生，即采用氢氧化钾等活化剂对碳材料进行制孔。采用化学活化法可以降低活化温度，提高多孔碳材料的比较面积和产率。然而，该方法仍有许多技术难题：如易腐蚀设备和易产生化学试剂残留造成污染等。

葡萄糖酸钾作为一种典型的小分子有机物，广泛应用于医药、食品、化工等行业。以葡萄糖为碳源，氯化钠为硬模板剂，通过碳化和活化制备多孔碳材料，并用来吸附亚甲基蓝，实现通过污染物治理污染物的设想，保护环境。

技术实现要素：

本发明首先以葡萄糖为碳源，氯化钠为硬模板剂，通过煅烧使葡萄糖碳化，除杂后得到碳化产物；其次，以氢氧化钾为活化剂，在碳化产物表面进行制孔修饰，除杂后得到多孔碳纳米材料。通过多种表征手段，揭示碳材料的形貌以及孔径分布等参数。利用吸附实验研究所得材料对水环境中亚甲基蓝的选择性去除性能。

本发明采用的技术方案是：

一种用无机盐模板辅助制备多孔碳纳米材料的方法，按照下述步骤进行：

步骤1、碳前驱体的合成

向葡萄糖固体中加入氯化钠固体，研磨后得到均匀的混合物A；将混合物A在氮气保护下，升温至450～500℃并维持1h；反应后冷却至室温，清洗反应产物，干燥后得到碳前驱体；

步骤2、多孔碳纳米材料的制备

向碳前驱体中加入氢氧化钾固体，研磨后得到均匀的混合物B；将混合物B在氮气保护下，升温至800～850℃并维持1h；反应后冷却至室温，清洗反应产物，干燥后得到多孔碳纳米材料，记为PCNM。

步骤1中，葡萄糖固体与氯化钠固体质量比为1：1。

步骤2中，氢氧化钾固体与碳前驱体质量比为0～4：1。

步骤1中，所述的升温速率为5℃每分钟，步骤2中，所述的升温速率为5～10℃每分钟；步骤1、2中，所述清洗反应产物的方法均为：用2mol/L盐酸、乙醇和水依次清洗反应产物；步骤1、2中，所述干燥均为在50～60℃下真空干燥。

所制备的多孔碳纳米材料用于吸附水体中的亚甲基蓝。

有益效果：

(1)本发明以葡萄糖为碳源，原料易得、无毒环保。

(2)本发明以氯化钠为硬模板剂，制备的多孔碳具有二维片状结构，形状独特。

(3)制备的多孔碳材料具有较高的比表面积和孔体积。

(4)制备的多孔碳材料能够高效去除污水中的亚甲基蓝。

(5)本发明的制备方法简单、生产流程较短、操作便捷、易于推广。

附图说明

图1为PCNM的扫描电镜图；

图2为PCNM的透射电镜图；

图3为PCNM的氮气吸附脱附图(图a)和孔径分布图(图b)；

图4为PCNM吸附亚甲基蓝的等温线图；

图5为PCNM吸附亚甲基蓝的动力学图；

图6为PCNM吸附不同pH的亚甲基蓝的对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明：

实施例1

(1)碳前驱体的合成

向葡萄糖固体中加入氯化钠固体，研磨后得到均匀的混合物；将上述混合物在氮气保护下，以5℃每分钟的速率升至450℃并维持1h；反应后冷却至室温，清洗反应产物，干燥后得到碳前驱体。

进一步地，葡萄糖固体与氯化钠固体质量比为1：1，研磨时间至少10min。

进一步地，清洗反应产物指用稀盐酸、乙醇和水依次清洗反应产物，稀盐酸浓度为2mol/L。干燥指在50-60℃下真空干燥。

(2)多孔碳纳米材料的制备

向碳前驱体中加入氢氧化钾固体，研磨后得到均匀的混合物；将上述混合物在氮气保护下，以5℃每分钟的速率升至850℃并维持1h；反应后冷却至室温，清洗反应产物，干燥后得到多孔碳纳米材料(PCNM)。

进一步地，碳前驱体与氢氧化钾固体质量比为1：4，研磨时间至少10min。

进一步地，清洗反应产物指用稀盐酸、乙醇和水依次清洗反应产物，稀盐酸浓度为2mol/L，干燥指在50-60℃下真空干燥。

实施例2

(1)碳前驱体的合成

向葡萄糖固体中加入氯化钠固体，研磨后得到均匀的混合物；将上述混合物在氮气保护下，以5℃每分钟的速率升至450℃并维持1h；反应后冷却至室温，清洗反应产物，干燥后得到碳前驱体。

进一步地，葡萄糖固体与氯化钠固体质量比为1：1，研磨时间至少10min。

进一步地，清洗反应产物指用稀盐酸、乙醇和水依次清洗反应产物，稀盐酸浓度为2mol/L，干燥指在50-60℃下真空干燥。

(2)多孔碳纳米材料的制备

向碳前驱体中加入氢氧化钾固体，研磨后得到均匀的混合物；将上述混合物在氮气保护下，以10℃每分钟的速率升至800℃并维持1h；反应后冷却至室温，清洗反应产物，干燥后得到多孔碳纳米材料(PCNM)。

进一步地，碳前驱体与氢氧化钾固体质量比为1：4，研磨时间至少10min。

进一步地，清洗反应产物指用稀盐酸、乙醇和水依次清洗反应产物，稀盐酸浓度为2mol/L，干燥指在50-60℃下真空干燥。

实施例3

(1)碳前驱体的合成

向葡萄糖固体中加入氯化钠固体，研磨后得到均匀的混合物；将上述混合物在氮气保护下，以5℃每分钟的速率升至450℃并维持1h；反应后冷却至室温，清洗反应产物，干燥后得到碳前驱体。

进一步地，葡萄糖固体与氯化钠固体质量比为1：1，研磨时间至少10min。

进一步地，清洗反应产物指用稀盐酸、乙醇和水依次清洗反应产物，稀盐酸浓度为2mol/L，干燥指在50-60℃下真空干燥。

(2)多孔碳纳米材料的制备

向碳前驱体中加入氢氧化钾固体，研磨后得到均匀的混合物；将上述混合物在氮气保护下，以5℃每分钟的速率升至850℃并维持1h；反应后冷却至室温，清洗反应产物，干燥后得到多孔碳纳米材料(PCNM)。

进一步地，碳前驱体与氢氧化钾固体质量比为1：x(x＝0、1、2、3、4)，研磨时间至少10min。

进一步地，清洗反应产物指用稀盐酸、乙醇和水依次清洗反应产物，稀盐酸浓度为2mol/L，干燥指在50-60℃下真空干燥。

2、下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明：

本发明中具体实施方案中吸附性能评价按照下述方法进行：利用静态吸附实验完成。将10mL不同浓度的亚甲基蓝溶液加入到离心管中，分别向其中加入3.0mg PCNM(碳化温度500℃，活化温度850℃，碳前驱体与氢氧化钾质量比1:4)，恒温水浴中静置，考察了溶液pH值、吸附剂用量、接触时间、温度对亚甲基蓝吸附的影响。吸附达到饱和后，通过磁性分离收集，得到中上层清液，用紫外可见光光度计测得试液中未被吸附的亚甲基蓝分子浓度，计算得到吸附容量(Q_e)。

$Q_e=\frac{(C_0-C_e)V}{m}$

其中C₀(mg/L)和C_e(mg/L)分别是初始和平衡浓度，m(mg)为吸附剂用量，V(mL)为溶液体积。

实验例1：取10ml初始浓度分别为50、100、120、150、180、200、250、300mg/L的亚甲基蓝溶液加入到离心管中，分别加入3.0mg PCNM(碳化温度500℃，活化温度850℃，碳前驱体与氢氧化钾质量比1:4)，把测试液放在298K水浴中静置12.0h后，离心分离收集上层清液，未被吸附的亚甲基蓝分子浓度用紫外可见分光光度计测定，并根据结果计算出吸附容量。图4结果表明：随着温度和浓度的升高，吸附量逐渐增大，最终达到吸附平衡。

实验例2：取10ml初始浓度为50mg/L的亚甲基蓝溶液加入到离心管中，分别加入3.0mg PCNM(碳化温度500℃，活化温度850℃，碳前驱体与氢氧化钾质量比1:4)，把测试液放在298K的水浴中分别静置5、10、20、30、45、60、90、120、150、180、240、300和360分钟。静置完成后，离心收集上层清液，未被吸附的亚甲基蓝分子浓度用紫外可见分光光度计测定，并根据结果计算出吸附容量。图5结果表明：PCNM对亚甲基蓝有较好的吸附动力学性能，300分钟内基本达到吸附平衡。

实验例3：选择稀盐酸、氢氧化钠为溶液酸碱调节剂。分别配制pH为2.0、4.0、6.0、7.0、8.0、10.0、12.0，溶度为200mg/L的亚甲基蓝溶液。取10ml配制好的溶液加入到离心管中，分别加入3.0mg PCNM(碳化温度500℃，活化温度850℃，碳前驱体与氢氧化钾质量比1:4)，把测试液放在298K的水浴中分别静置14h。吸附达到饱和后，离心收集上层清液，未被吸附的亚甲基蓝浓度用Uv-vis测定。图6结果表明，PCNM对亚甲基蓝的吸附性能在中性和碱性条件下较酸性条件更为优越。

图1为PCNM的扫描电镜图。从图中可知PCNM表现为二维片状材料，表面粗糙不平，尺寸相对均匀。

图2为PCNM的透射电镜图。从图中可以看出PCNM表面粗糙不平，呈现一系列不规则孔道，并具有较高的比表面积，有利于吸附。

图3为PCNM的氮气吸附脱附图(图a)和孔径分布图(图b)。从图3a可知PCNM的氮气吸附脱附曲线属于I型曲线；从图3b可知PCNM的孔道主要分布在1.5-3.5nm，表明PCNM中的孔道由微孔组成。

图4为PCNM吸附亚甲基蓝的等温线图。从图中可知，随着温度和浓度的升高，吸附量增加。PCNM表现出对亚甲基蓝良好的分离性能，说明PCNM中存在的微孔能够很好的与亚甲基蓝分子相互作用。

图5为PCNM吸附亚甲基蓝的动力学图。从图中可知，最初，随着接触时间的增加，吸附量迅速增加；在100分钟以后慢慢达到平衡。在整个时间范围内，PCNM表现出对亚甲基蓝的快速的吸附平衡。

图6为PCNM吸附不同pH的亚甲基蓝的对比图。从图中可知，在中性和碱性条件下，PCNM对阳离子染料亚甲基蓝的吸附量大于在酸性条件下的吸附量，表明PCNM更适合在中性和碱性条件下对亚甲基蓝进行吸附分离。