一種在多孔材料中負載易升華物質的方法與流程

本發明屬于環保或新能源領域，具體涉及一種在多孔材料中負載易升華物質的方法。

背景技術：

隨著人類工業化進程的推進，地球資源日益枯竭，人們在急于尋找新型能源的同時，加倍關注對已有能源的可循環利用。另外使用化石燃料導致的環境污染問題也被環保人士及科學家們飽受詬病。我國自上世紀八十年代以來，國民經濟快速發展的同時，資源枯竭與環境污染的問題也日益突顯。我國作為煤炭大國，煤炭資源占總資源儲量的一半以上，而煤炭資源在開采、加工、發電應用中常常伴隨著巨大的廢棄物，其產生的工業三廢(廢渣、廢水、廢棄)一直以來是我國工業綠色改革、可循環發展的關鍵問題。

多孔材料，多孔材料是一種由相互貫通或封閉的孔洞構成網絡結構的材料，孔洞的邊界或表面由支柱或平板構成。多孔材料按孔徑尺寸分類的方法源國際純化學及應用化學組織，為推動多孔材料的研究，推薦了上述專門術語。按照孔徑大小的不同，多孔材料又可以分為微孔(孔徑小于2nm)材料、介孔(孔徑2-50nm)材料和大孔(孔徑大于50nm)材料。多孔材料可由多種金屬和合金以及難熔金屬的碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等制成。近年來多孔碳材料因其優異的性能收到工業界和新能源領域的關注。

多孔碳材料是指具有不同孔結構的碳素材料，其孔徑大小從相當于分子大小的納米級超細微孔直到適應微生物增殖及活動的微米級細孔。多孔碳材料具有低密度、低熱膨脹系數、高熱導率、高電導率、高強度，且具有巨大的比表面積，另外多孔碳材料還能夠耐腐蝕、抗氧化，良好的可加工性能。因此，多孔碳材料在氣體和液體的精制、分離以及水處理、空氣凈化等方面已得到廣泛的應用。

近年來，多孔材料由于其優異的導電性能和表面吸附性能，在能源材料領域發揮了重要作用，將其作為催化劑的良好載體，可以大大加速化學反應速率，將其作為超級電容器或二次鋰硫電池的電極材料表現出優異的電化學性能。

現有的多孔材料負載單質易升化物質的方法主要有：

(1)吸附法：將多孔材料進行壓塊封裝組成吸附袋或吸附模塊，利用其優異的表面吸附能力將通過的含易升化物質廢氣中的易升化物質元素進行吸附。該方法雖然工藝簡單，但未能充分利用多孔材料高比表面積及孔容，易中毒，負載易升化物質效率低下。

(2)溶劑交換法：將易升化物質單質溶解于乙醇、乙醚、二硫化碳、四氯化碳、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、環己烷、甲苯和苯有機溶劑中，將上述溶劑浸漬多孔材料，再將有機溶劑蒸發后，單質易升化物質重新析出負載在多孔材料中。但該方法中有機溶劑難以進入微孔結構，導致負易升化物質不充分且不夠均勻，且有機溶劑多有毒性，蒸發后需要回流冷凝以回收利用，導致工藝復雜，成本難以下降。

(3)熱處理法：將單質易升化物質和多孔材料按照一定比例混合，攪拌球磨后密封于特制容器中，抽真空或通入惰性氣氛保護，再送入熱處理爐中在40～150℃處理1～8小時，再加熱到300℃以上處理1～3小時，去除未復合良好的多余單質易升化物質，隨爐冷卻至室溫，即可完成多孔材料負載單質易升化物質工藝。這種方法工藝條件較為苛刻，負載時間較長，難以實現自動化工藝。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種在多孔材料中負載易升華物質的方法，該方法工藝簡單、成本低、負載易升化物質量高且易升化物質單質分布均勻。

本發明所采用的技術方案是，一種在多孔材料中負載易升華物質的方法，該方法基于蒸發冷卻裝置，具體結構為：包括密封容器，密封容器上連通有冷卻裝置和惰性氣體管，冷卻裝置連接有真空泵；

具體方法為：

步驟1，將單質易升華物質加入密封容器中，將預處理后的多孔材料裝載在冷卻裝置中；

步驟2，向密封容器中通入惰性氣氛，并打開真空泵，使密封容器中保持負壓，至完全排除蒸發冷卻裝置中的空氣；

步驟3，對密封容器進行加熱，使單質易升化物質受熱升華為易升化物質蒸汽，并逐漸充滿冷卻裝置；

步驟4，開啟冷卻裝置，根據多孔碳材料質量保持負載一定時間，得到負載量高、分布均勻的復合材料。

本發明的特點還在于，

步驟1中多孔材料為多孔碳材料、介孔硅材料、沸石分子篩或者泡沫鎳。

步驟1中單質易升華物質為單質硫、單質碘、單質萘或三氯化鋁。

冷卻裝置為冷凝管、多管冷卻器或者冷卻塔。

步驟1中多孔材料的預處理是將多孔材料用去離子水清洗后在80～100℃下干燥10～24h。

步驟2中向密封容器中通入惰性氣氛，并打開真空泵，使密封容器中保持負壓-0.1～-10.0Mpa，保持30s～30min至完全排除蒸發冷卻裝置中的空氣。

步驟2中惰性氣氛為氮氣、氦氣、氖氣、氬氣或氙氣。

步驟3中加熱溫度為300～500℃。

本發明的有益效果是，本發明在多孔材料中負載易升華物質的方法，具有以下特點：

(1)綠色環保、高效均勻：本發明通過將單質易升化物質氣化后在多孔材料表面凝結實現負載易升化物質，反應溫度較低(300℃即可)，無廢棄物產生，氣相易升化物質更容易進入多孔材料的多級孔道結構中，充分發揮多孔材料的結構優勢，從而提高多孔材料的負載量，另一方面由于氣相易升化物質冷卻速度快，凝固后顆粒粒徑細小，從而優化多孔材料負載易升化物質的均勻程度；

(2)負載工藝簡單，易于擴大、自動化：本發明方法中，在完成儀器布置后，基本不需人工操作，即可完成。若能提供源源不斷的易升化物質源和連續更換的多孔材料即可實現自動化連續批量生產。

綜上所述，本發明提出了一種簡便易操作、易于自動化的多孔材料負載單質易升化物質的方法，且獲得的易升化物質/多孔材料的復合材料具有載量高、分布均勻的特性，可用于含有易升化物質的工業廢氣的高效處理，也可以用于制備均勻高效復合的新型復合材料。

附圖說明

圖1是本發明方法中所用蒸發冷卻裝置的結構示意圖；

圖中，1.密封容器，2.惰性氣體管，3.冷卻裝置。

圖2是實施例1中獲得的負硫多孔碳復合材料的熱重曲線圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

本發明在多孔材料中負載易升華物質的方法，該方法基于蒸發冷卻裝置，如圖1所示，具體結構為：包括密封容器1，密封容器1上連通有冷卻裝置3和惰性氣體管2，冷卻裝置3連接有真空泵；冷卻裝置3為冷凝管、多管冷卻器或者冷卻塔；

具體方法為：

步驟1，將單質易升華物質加入密封容器1中，將預處理后的多孔材料裝載在冷卻裝置3中；多孔材料的預處理是將多孔材料用去離子水清洗后在80～100℃下干燥10～24h；其中多孔材料為多孔碳材料、介孔硅材料、沸石分子篩或者泡沫鎳；單質易升華物質為單質硫、單質碘、單質萘或三氯化鋁；

步驟2，向密封容器1中通入惰性氣氛(惰性氣氛為氮氣、氦氣、氖氣、氬氣或氙氣)，并打開真空泵，使密封容器1中保持負壓-0.1～-10.0Mpa，保持30s～30min至完全排除蒸發冷卻裝置中的空氣；

步驟3，對密封容器1進行加熱至300～500℃，使單質易升化物質受熱升華為易升化物質蒸汽，保持1s～10min使蒸汽充滿冷卻裝置3；

步驟4，開啟冷卻裝置3，根據多孔材料質量保持負載10s～1h，得到負載量高、分布均勻的復合材料。

實施例1

(1)預處理乙炔黑多孔碳材料及所使用的容器導管：將1g乙炔黑多孔碳材料和所使用的容器和導管使用去離子水清洗后一并放入鼓風干燥箱中80℃下干燥10h，去除表面水分；

(2)將1g單質硫放入密封容器中，冷卻裝置(冷凝管)內部裝載1g乙炔黑多孔碳材料；

(3)通入氮氣，并打開真空泵，調節氣瓶和真空泵氣閥使密封容器內保持-0.1Mpa，保持30s至完全排除整個裝置中的空氣；

(4)對密封容器加熱至溫度為500℃左右，密封容器中的單質硫受熱升華為硫蒸汽，硫蒸汽在負壓驅動下進入冷卻裝置，保持1s使硫蒸汽充滿冷卻裝置；

(5)開啟冷凝管內水循環，對管內硫蒸汽進行快速冷卻；

(6)保持負硫工藝10s，即可獲得負硫量高、硫分布均勻的復合材料。

圖2為實施例1中所得的多孔碳負載單質硫復合材料的熱重曲線圖，從圖2中可見多孔碳受熱后重量變化很小，純硫則完全氣化，復合材料則失重55％，可以推測該復合材料中負載了55％的單質硫。

實施例2

(1)預處理介孔硅材料及所使用的容器導管：將100g介孔硅材料和所使用的容器和導管使用去離子水清洗后一并放入鼓風干燥箱中100℃下干燥24h，去除表面水分；

(2)將100g單質碘放入密封容器中，冷卻裝置(多管冷卻器)內部裝載100g介孔硅材料；

(3)通入氦氣，并打開真空泵，調節氣瓶和真空泵氣閥使密封容器內保持-10.0Mpa，保持30min至完全排除整個裝置中的空氣；

(4)采用電熱套加熱密封容器，加熱溫度為300℃左右，密封容器中的單質碘受熱升華為碘蒸汽，碘蒸汽在負壓驅動下進入冷卻裝置，保持10min，使碘蒸汽充滿冷卻裝置；

(5)開啟多管冷卻器，冷卻方法為噴淋冷卻，冷卻介質為鹽溶液，對管內碘蒸汽進行快速冷卻；；

(6)保持該工藝1h，即可獲得負載量高、碘分布均勻的復合材料。

實施例3

(1)預處理沸石分子篩及所使用的容器導管：將沸石分子篩和所使用的容器和導管使用去離子水清洗后一并放入鼓風干燥箱中90℃下干燥12h，去除表面水分；

(2)將10g單質萘放入密封容器中，冷卻裝置(冷凝管)內部裝載50g沸石分子篩；

(3)通入氬氣，并打開真空泵，調節氣瓶和真空泵氣閥使密封容器內保持-1.0Mpa，保持10min至完全排除整個裝置中的空氣；

(4)采用酒精燈加熱密封容器，加熱溫度為500℃左右，容器中的單質萘受熱升華為萘蒸汽，萘蒸汽在負壓驅動下進入冷卻裝置，保持1min使萘蒸汽充滿冷卻裝置；

(5)開啟冷凝管，冷卻方法冷媒循環冷卻，冷卻介質為有機溶劑；

(6)保持負萘工藝30min，即可獲得負萘量高、萘分布均勻的復合材料。

實施例4

(1)預處理泡沫鎳及所使用的容器導管：將泡沫鎳和所使用的容器和導管使用去離子水清洗后一并放入鼓風干燥箱中100℃下干燥24h，去除表面水分；

(2)將80g三氯化鋁放入密封容器中，冷卻裝置內部裝載40g泡沫鎳；

(3)通入氖氣，并打開真空泵，調節氣瓶和真空泵氣閥使密封容器內保持負壓-2.0Mpa，保持15min至完全排除整個裝置中的空氣；

(4)采用電熱套加熱密封容器，加熱溫度為300℃左右，密封容器中的三氯化鋁受熱升華為三氯化鋁蒸汽，三氯化鋁蒸汽在負壓驅動下進入冷卻裝置，保持4min使三氯化鋁蒸汽充滿冷卻裝置；

(5)開啟冷凝管，冷卻方法為冷媒循環冷卻等，冷卻介質為冰水混合物；

(6)保持該工藝40min，即可獲得負載量高、三氯化鋁分布均勻的復合材料。