一種固體碳材料的氣相后處理改性裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無(wú)機(jī)化學(xué)合成技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種固體碳材料的后處理改性裝置 和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳納米管(CarbonNanotubes,以下均簡(jiǎn)稱為CNTs)具有獨(dú)特的力學(xué),電學(xué),以及 化學(xué)性能,因而受到廣泛關(guān)注,需求量和產(chǎn)量迅速增加。未經(jīng)改性處理的CNTs是疏水且化 學(xué)惰性的,這不利于其在極性溶劑中的分散以及進(jìn)一步的功能化或制備復(fù)合材料。使用濕 法化學(xué)氧化,光氧化,氧等離子體,氣相處理等方法對(duì)CNTs進(jìn)行氧化,可以在CNTs表面有效 地引入含氧官能團(tuán)。這些官能團(tuán)不僅能夠改變CNTs自身的性質(zhì),有利于其分散,還可以直 接作為催化反應(yīng)的活性中心,同時(shí)也能作為進(jìn)一步功能化的錨定位點(diǎn)。文獻(xiàn)中已經(jīng)報(bào)道的 氧化改性方法通常反應(yīng)條件苛刻,會(huì)對(duì)CNTs的結(jié)構(gòu)造成破壞,裝置較為復(fù)雜且可能產(chǎn)生污 染環(huán)境的廢液或尾氣。在上述改性方法中,氣相氧化處理可以避免從液相中分離CNTs,抑制 CNTs的團(tuán)聚,有利于工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。
[0003] 夏偉等(Carbon2009,(47),919-922)報(bào)道了使用硝酸蒸汽在125-250°C下對(duì) CNTs進(jìn)行常壓氧化改性的方法。該方法突破了硝酸液相氧化的溫度限制(濃硝酸常壓下 沸點(diǎn)為122°C),對(duì)CNTs的形貌和分散度破壞小。相較傳統(tǒng)的硝酸液相氧化改性,CNTs經(jīng) 過(guò)該方法改性后,表面的含氧官能團(tuán)數(shù)量顯著提升,并且C= 0基團(tuán)的比例增大。該方法的 缺點(diǎn)是使用了大過(guò)量的濃硝酸作為蒸汽來(lái)源,產(chǎn)生大量污染環(huán)境的氮氧化物尾氣和酸性廢 液,同時(shí)設(shè)備較為復(fù)雜且易被酸性蒸汽腐蝕。
[0004]諶春林等(MaterialsResearchBulletin2013,(48),3218-3222)報(bào)道了使用 N02作為氧化劑對(duì)CNTs進(jìn)行常壓氧化改性的方法。作者發(fā)現(xiàn)隨著處理溫度的上升,樣品氧 化改性后的失重量增加,表面含氧官能團(tuán)含量上升。同時(shí),改性后的樣品比表面積有一定提 升,可能是由于N02氧化打開(kāi)了CNTs的端口。該方法的缺點(diǎn)是改性引入的含氧官能團(tuán)量較 低,且無(wú)選擇性,同時(shí)對(duì)CNTs的結(jié)構(gòu)有一定的破壞;另外配置N02氣體較麻煩,產(chǎn)生的N0尾 氣可能會(huì)造成污染。
[0005] 綜上所述,目前尚不存在一種能夠簡(jiǎn)單、高效、可控地在CNTs的表面引入含氧官 能團(tuán)的改性方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處,提供一種固體碳材料的后處理 改性裝置和方法,通過(guò)對(duì)固體碳材料進(jìn)行后處理,改變其表面官能團(tuán)組成和含量,從而改變 其物理和化學(xué)性能。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明技術(shù)方案如下:
[0008] 一種固體碳材料的后處理改性裝置,該裝置包括帶有內(nèi)襯的晶化釜,晶化釜內(nèi)放 置上部開(kāi)口的容器,所述容器的側(cè)壁與底部開(kāi)設(shè)若干通孔,容器通過(guò)支架與晶化釜內(nèi)襯底 部相分隔;所述內(nèi)襯為聚四氟乙烯內(nèi)襯。
[0009] 所述固體碳材料置于晶化釜內(nèi)的容器中,并通過(guò)砂芯與容器的底部分隔;容器上 所開(kāi)通孔的大小應(yīng)保證固體碳材料不掉落到容器外。
[0010] 利用上述裝置進(jìn)行固體碳材料的后處理改性,改性方法包括如下步驟:
[0011] ⑴固體碳材料的裝填:
[0012] 將固體碳材料裝入晶化釜內(nèi)襯中的容器內(nèi),內(nèi)襯底部盛裝氣源物質(zhì),氣源物質(zhì)與 固體碳材料不直接接觸,氣源物質(zhì)與固體碳材料的重量比為(10~1000) : 1;根據(jù)容器的 大小,固體碳材料裝填0. 1克至1000克;
[0013](2)氣相改性處理:
[0014] 將裝有固體碳材料和氣源物質(zhì)的內(nèi)襯裝入晶化釜并封閉,在80~200°C條件下靜 置 0· 5 ~100h;
[0015] (3)回收分離:
[0016] 經(jīng)步驟(2)氣相改性處理后的固體碳材料,直接作為催化劑用于催化反應(yīng);或者 經(jīng)過(guò)洗滌、回收和干燥得到改性后的固體碳材料。
[0017] 所述固體碳材料為以sp2或sp3雜化的碳-碳鍵連接的碳材料,其烙點(diǎn)大于200°C; 所述氣源物質(zhì)在常溫時(shí)為固態(tài)或液態(tài),在80~200°C時(shí)能夠通過(guò)蒸發(fā)、揮發(fā)、分解等方式產(chǎn) 生氣體。所述氣源物質(zhì)優(yōu)選為1~40wt. %的硝酸溶液。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點(diǎn):
[0019] 1、本發(fā)明采用特定裝置對(duì)固體碳材料進(jìn)行后處理改性,固體碳材料與氣源物質(zhì)無(wú) 直接接觸,在密閉的晶化釜中80~200°C條件下靜置0. 5~100h;該過(guò)程中,所述氣源物質(zhì) 在80~200°C產(chǎn)生氣體,所產(chǎn)生氣體在封閉的晶化釜內(nèi)產(chǎn)生一定壓力,促使氣體通過(guò)容器 上的通孔和砂芯對(duì)碳材料進(jìn)行改性后處理。
[0020] 2、本發(fā)明操作簡(jiǎn)單易行,過(guò)程容易控制與重復(fù)。
[0021 ] 3、尾氣排放量低,氣源物質(zhì)可以重復(fù)利用。
[0022] 4、設(shè)備簡(jiǎn)單,空間利用率高,密閉操作,腐蝕性小。
[0023] 5、碳材料不與液相混合,分離成本低,減少團(tuán)聚。
[0024] 6、本發(fā)明氧化改性處理后得到的碳材料,比較相同條件下液相氧化得到的碳 材料,表面氧含量明顯提高(10% -20% ),催化氧化反應(yīng)得到的環(huán)氧化物選擇性上升 (10% -20% ) 〇
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1是本發(fā)明固體碳材料的后處理改性裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 其中:1_內(nèi)襯;2-容器;3-砂芯;4-支架;5-固體碳材料;6-通孔;7-氣源物質(zhì)。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0028] 如圖1所示,本發(fā)明固體碳材料的后處理改性裝置包括帶有內(nèi)襯1的晶化荃,晶化 釜內(nèi)放置上部開(kāi)口的容器2,所述容器2的側(cè)壁與底部開(kāi)設(shè)若干通孔6,容器2通過(guò)支架4 與晶化釜內(nèi)襯1底部相分隔;所述內(nèi)襯1為聚四氟乙烯內(nèi)襯。
[0029] 所述固體碳材料5置于晶化釜內(nèi)的容器2中,并通過(guò)砂芯3與容器2的底部分隔; 容器2上所開(kāi)通孔6的大小應(yīng)保證固體碳材料5不掉落到容器2外。
[0030] 由圖1可以看出,固體碳材料5置于容器3中,不直接接觸氣源物質(zhì)7。裝置整體 封閉在耐腐蝕的聚四氟乙烯內(nèi)襯中,依靠氣源物質(zhì)7產(chǎn)生的氣體產(chǎn)生壓力。容器上分布有 若干碳材料無(wú)法通過(guò)的微小氣孔,有利于氣相傳質(zhì)。
[0031] 采用上述裝置進(jìn)行固體碳材料的后處理改性,改性方法包括如下步驟:
[0032] (1)固體碳材料的裝填:
[0033] 將固體碳材料裝入晶化釜內(nèi)襯中的容器內(nèi),內(nèi)襯底部盛裝氣源物質(zhì),氣源物質(zhì)與 固體碳材料的重量比為(10~1000) : 1;
[0034](2)氣相改性處理:
[0035] 將裝有固體碳材料和氣源物質(zhì)的內(nèi)襯裝入晶化釜并封閉,在80~200°C條件下靜 置 0· 5 ~100h;
[0036] (3)回收分離:
[0037] 經(jīng)步驟(2)氣相改性處理后的固體碳材料,直接作為催化劑用于催化反應(yīng);或者 經(jīng)過(guò)洗滌、回收和干燥得到改性后的固體碳材料