一种有序多孔碳纤维及其制备方法和应用

本发明涉及吸附材料，尤其涉及一种有序多孔碳纤维及其制备方法和应用。

背景技术：

1、有机硫作为典型的含硫污染物，通常存在于焦炉气、水煤气、天然气和石油气中，例如羰基硫(cos)、甲硫醇(ch3sh)等。作为含量较高的有机硫污染物，cos和ch3sh在资源气的利用过程中不仅导致催化剂中毒失活、腐蚀管道设备，还会危害环境和人体身心健康。因此，深度净化资源气中的cos和ch3sh显得十分必要。

2、目前，cos和ch3sh的净化主要以干法为主。其中，吸附法对低浓度有机硫气体具有较好的效果，该方法成本低廉、操作简单且无二次污染。目前，在众多脱硫剂中，活性炭因其具有大的比表面积、低廉的价格、良好的水热稳定性和抗硫性等优点，广泛应用于有机硫的净化中。中国专利cn113070039a公开了一种脱除焦炉煤气中有机硫的吸附材料及其应用，以活性炭为载体，原位负载1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐离子液体合成催化剂用于脱除焦炉煤气中的cos。该方法能实现低温下(20～50℃)cos的有效吸附，但活性炭是无定型的结构，微孔堆叠形成的不规则介孔会降低其吸附能力。相比而言，活性炭纤维可有效改善活性炭存在的问题。中国专利cn110102302a公开了一种羰基硫净化用催化剂及其制备方法和应用，该专利以活性炭纤维为载体，通过强碱浸渍以及热处理等方法对多孔载体进行处理。该方法能有效改善碳基材料表面特性，从而提升低温下吸附cos的能力。然而，活性炭纤维无序的微孔结构不利于充分利用其吸附位点，减少了活性位点与有机硫分子的结合。目前的研究主要集中在无序碳基材料脱除有机硫方面，尚无有序碳纤维材料用于同时净化cos和ch3sh的相关研究。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种有序多孔碳纤维及其制备方法和应用，本发明提供的有序多孔碳纤维作为脱硫剂可实现有机硫的高效同步脱除。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种有序多孔碳纤维的制备方法，包括以下步骤：

4、将模板剂溶于第一极性有机溶剂中，得到a溶液；

5、将高分子有机物溶于第二极性有机溶剂中，得到b溶液；

6、将所述a溶液与所述b溶液混合，得到c溶液；

7、调整所述c溶液的ph值至酸性，将酸化后的溶液进行晶化，得到嵌有模板剂的高分子有机物晶体；

8、将所述嵌有模板剂的高分子有机物晶体分散到第三极性有机溶剂中，将所得纺丝液进行静电纺丝，得到纳米纤维；

9、将所述纳米纤维在保护气氛下焙烧，得到所述有序多孔碳纤维。

10、优选的，所述模板剂为十六烷基三甲基溴化铵、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物或四丙基氢氧化铵；所述第一极性有机溶剂为二甲基甲酰胺、甲醇、乙醇或丙酮；所述a溶液中模板剂的含量为5～20g/100ml。

11、优选的，所述高分子有机物为聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮或聚甲基丙烯酸甲酯；所述第二极性有机溶剂为二甲基甲酰胺、甲醇、乙醇或丙酮；所述b溶液中高分子有机物的含量为10～30g/100ml。

12、优选的，所述c溶液中模板剂和高分子有机物的质量比为(1～4)：(2～6)。

13、优选的，所述酸化后的溶液ph值为1～5。

14、优选的，所述晶化的温度为100～150℃，时间为24～72h。

15、优选的，所述纺丝液中嵌有模板剂的高分子有机物晶体的含量为6～15g/100ml。

16、优选的，所述焙烧包括依次进行第一焙烧、升温和第二焙烧；所述第一焙烧的温度为150～300℃；所述第二焙烧的温度为500～700℃。

17、本发明提供了上述方案所述制备方法制备得到的有序多孔碳纤维。

18、本发明提供了上述方案所述有序多孔碳纤维作为脱硫剂在同步去除cos和ch3sh中的应用。

19、传统碳纤维存在孔径分布较大，在净化气体污染物上不能充分利用孔结构。本发明通过模板剂在高分子有机物内部形成固定骨架，合成具有大比表面积的有序多孔碳纤维材料，有序多孔碳纤维材料具备规整的孔结构。利用有序多孔碳纤维材料提供足够的吸附空间和足够的活性位点，使cos和ch3sh等有机硫分子被截留在材料表面和孔道中，实现有机硫的吸附脱除目标。与现有无序碳基材料相比，本发明制备的有序多孔碳纤维具有更多的有效吸附位点，在净化有机硫等领域，拥有更加广泛的应用前景。

20、cos和ch3sh在催化剂上存在竞争吸附，传统脱硫剂主要针对其中的一种有机硫进行脱除，无法实现多组分有机硫的同步净化。本发明制得有序多孔碳纤维脱硫剂可用于cos和ch3sh的同步高效净化脱除，良好的抗水性和抗硫中毒能力提高了脱硫剂的水热稳定性和使用寿命，低温(≤100℃)条件下脱硫率能够达到100％。

技术特征：

1.一种有序多孔碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述模板剂为十六烷基三甲基溴化铵、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物或四丙基氢氧化铵；所述第一极性有机溶剂为二甲基甲酰胺、甲醇、乙醇或丙酮；所述a溶液中模板剂的含量为5～20g/100ml。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高分子有机物为聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮或聚甲基丙烯酸甲酯；所述第二极性有机溶剂为二甲基甲酰胺、甲醇、乙醇或丙酮；所述b溶液中高分子有机物的含量为10～30g/100ml。

4.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述c溶液中模板剂和高分子有机物的质量比为(1～4)：(2～6)。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述酸化后的溶液ph值为1～5。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述晶化的温度为100～150℃，时间为24～72h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纺丝液中嵌有模板剂的高分子有机物晶体的含量为6～15g/100ml。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述焙烧包括依次进行第一焙烧、升温和第二焙烧；所述第一焙烧的温度为150～300℃；所述第二焙烧的温度为500～700℃。

9.权利要求1～8任一项所述制备方法制备得到的有序多孔碳纤维。

10.权利要求9所述有序多孔碳纤维作为脱硫剂在同步去除cos和ch3sh中的应用。

技术总结
本发明提供了一种有序多孔碳纤维及其制备方法和应用，涉及吸附材料技术领域。传统碳纤维存在孔径分布较大，在净化气体污染物上不能充分利用孔结构。本发明通过模板剂在高分子有机物内部形成固定骨架，合成具有大比表面积的有序多孔碳纤维材料，有序多孔碳纤维材料具备规整的孔结构。利用有序多孔碳纤维材料提供足够的吸附空间和足够的活性位点，使COS和CH<subgt;3</subgt;SH等有机硫分子被截留在材料表面和孔道中，实现有机硫的吸附脱除目标。与现有无序碳基材料相比，本发明制备的有序多孔碳纤维具有更多的有效吸附位点，在净化有机硫等领域，拥有更加广泛的应用前景。

技术研发人员：宋辛,孙丽娜,李凯,宁平
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27