[发明专利]一种二氧化碳吸附用多孔碳纳米纤维材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种二氧化碳（CO₂）吸附用多孔碳纳米纤维材料及其制备方法，属于纳米材料和环境治理领域。制备方法包括：热重法筛选碳前驱体和有机造孔剂；配制纺丝液；静电纺丝法得到复合纳米纤维膜；通过低温预氧化、高温碳化处理，得到超高比表面积多孔碳纳米纤维材料。此方法可免除传统碳材料制备的活化步骤，成本低，制备工艺简单，可选择性得调控其孔结构。本发明提供一种高效二氧化碳吸附剂，具有超高比表面积，超高孔隙率；具有大量的微孔及超微孔，极有利于二氧化碳吸附，使其二氧化碳吸附容量大；同时该材料具有脱附条件温和，材料可重复利用等优点，使其在二氧化碳捕集领域具有良好的应用前景和环境治理效益。

技术领域

本发明公开一种二氧化碳吸附用多孔碳纳米纤维材料及其制备方法，属于纳米材料和环境治理领域。

背景技术

近年来，温室效应是环境领域关注的热点问题，主要由大气中温室气体的富集引起。二氧化碳是温室气体的重要组成成分，随着人类经济活动的日益频繁，化石燃料的大量消耗，大气中二氧化碳浓度逐年增高；温室效应对全球气候的影响愈来愈严重，造成全球气候变暖，极端气候时常发生等反常现象；因此，减少二氧化碳的排放和对二氧化碳捕集具有极其重要的意义。

碳材料作为常用固体吸附剂，具有高比表，高孔隙率，良好的热稳定性及化学稳定性等特点，在二氧化碳吸附领域极具应用前景；国内外已有大量学者从事相关研究，报道了多种碳材料，包括活性炭、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯等在二氧化碳吸附领域的应用，并取得了良好的吸附效果，比如：James M. Tour等（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015,7, 1376−1382），Zhenan Bao等（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 1001−1009）和专利CN105664850A“一种高性能碳基二氧化碳吸附剂材料的制备方法及其应用”，通过活化碳前驱体制备活性炭材料来吸附二氧化碳，以及Ki Bong Lee等（Carbon, 99, 2016, 354-360）和Jun Liu等（Chemical Engineering Journal，276，2015，44–50）通过静电纺丝技术制备碳纳米纤维来吸附二氧化碳；虽然这些材料对CO₂有显著的吸附效果，但现阶段所开发的二氧化碳吸附剂大多需通过物理活化或化学活化方法制备。该制备方法所涉及的活化过程工艺复杂，条件难控；活化试剂腐蚀性强，设备维护成本高；且活化后易产生二次污染，引发新的环境治理问题。

混合静电纺丝法是一种利用两种或多种不相混的高分子进行混合静电纺丝制备复合纳米纤维膜的方法；该方法主要通过高压静电作用力将聚合物溶液拉伸成丝，形成纳米纤维膜；所制备的纳米纤维尺寸均匀，直径在几十纳米到几微米的范围内；众所周知，静电纺丝纳米纤维膜通过低温预氧化、高温碳化和高温活化等处理可制备高比表面积碳纳米纤维材料；对于采用复合静电纺丝纳米纤维膜制备碳纳米纤维材料，由于混合的两种或多种高分子物理性质不同，其中一种或多种可在后续的热处理过程中（预氧化和碳化）易发生热分解而除去，从而在生成的碳纳米纤维骨架中形成大量孔隙，这将极大得提升材料的比表面积及孔隙率。因此，无需进行活化处理，便可得到高比表面积、高孔隙率的碳纳米纤维材料。