SOL-GEL DERIVED ACTIVATED CARBON AS A POTENTIAL GAS PHASE ADSORBENT

C.Lin and J.A.Ritter （Department of Chemical Engineering, University of South Carolina, Columbia, SC 29208）

1、简介

    最近Pekala及其同事开发了一种合成炭气溶胶，系用碳化了的间苯二酚-甲醛（RF）树脂经由溶胶-凝胶途径得到的。他们报道了每单位体积的非常高的表面积（达700m2/cm3），且能使其孔隙率和SA（表面积）控制在一个非常宽的范围内，而孔尺寸可在纳米尺寸级别进行“剪裁”。这些独特的、可控的性能得益于溶胶-凝胶工艺过程，这种工艺正在迅速变成最有希望的材料合成技术之一。

    溶胶-凝胶过程可以很容易地控制最终产品的质地、组成、均一性和结构性能。近期已有多篇致力于搞清合成工艺条件对溶胶-凝胶法得到的材料的孔结构的影响的研究报道见诸文献。本文的主旨包括：开发一种制造炭干凝胶的新溶胶-凝胶合成工艺，并研究炭化温度和活化条件对最终材料的孔结构和性能的影响。

2、试验过程

    试剂纯间苯二酚（98%，Aldrich产）、甲醛（37%浓度的水溶液，Aldrich产）、Na2CO3（GR纯，EM Sience,Germany）和硝酸（70.4%，Mallinckrodt产）。制备含5%（w/v）固体物的溶体，其中间苯二酚（R）/甲醛（F）的摩尔比率为1:2，Na2CO3用作催化剂，R/C（C指Na2CO3）的摩尔比取50:50，用稀硝酸将溶胶的初始pH调整到6，将溶胶密封于烧瓶中，磁力搅拌30分钟，然后静置于一台控温85±3℃的电炉中熟化处理一周时间，一般在几个小时之内就会发生凝胶作用。熟化处理之后，从电炉中取出凝胶并冷至室温，接着在三天的期限内用丙酮洗涤并真空过滤三遍，真空过滤之后每天换上新鲜溶剂。洗涤过的凝胶在管式电炉中于N2气氛中干燥，以0.5℃/分钟速率升温至65℃并保温5小时；接着升温至110℃再保温5小时。{zh1}获得的干燥凝胶于预设温度下在N2气氛中高温热解3小时制成碳干凝胶（Carbon xerogel），此过程中升温和冷却速率均设定为5℃/分钟。碳干凝胶的活化采取在高温热解过程中于1050℃时在N2气流中加入5%的CO2的方法进行。

3、结果及讨论

    前期工作已证明在改良的合成工序中，RF溶胶的初始pH将严重影响碳干凝胶的表面积（SA）和孔容（PV），结果见表1（此处略）。当初始pH=7.0∼7.5时，碳干凝胶中测不到SA和PV，随着pH的递减，SA和PV大量增加，说明RF聚合物的孔隙越来越多，产生的孔隙完整地保留在碳干凝胶中。制备高SA碳凝胶的pH“窗口”值在5.5∼6.5之间，当pH<5.5时，总是产生沉淀物而不是凝胶。本研究中，采用pH=6.0作为制造RF树脂的初始pH值。

    图2（此处略）给出了炭化温度对碳凝胶的SA和PV的影响，一般趋势是：随炭化温度的提高，SA和PV呈下降趋势，当温度从600℃升至900℃时，SA缓慢降低，而PV则剧烈下降，这一结果说明孔隙的大量丧失，且这些孔隙对PV的贡献大于对SA的贡献（说明丧失的是孔径较大的孔）；相反地，当温度从900℃升到1200℃时，SA剧烈下降，但PV仅呈缓慢降低趋势，说明较小的孔隙丧失，这些孔对SA的贡献大于对PV的贡献（600℃是较好的温度条件选择值）。

    图3（此处略）显示了CO2活化对碳凝胶的影响，有趣的是，活化时间与SA和PV之间存在线性关系，另外，活化3小时与未经活化的样品相比，SA增加至3倍多，PV增至两倍多（分别至SA=1850m2/g、PV=2.65cm3/g），如此高的SA和PV值可能符合某些不常用的、但又是非常渴望获得的气相吸附剂的性能。

    如图4（此处略）所示，活化时间的影响对碳干凝胶的失重率的影响亦呈线性关系，这一线性关系说明发生了匀速的一级反应过程。对于未经活化的碳凝胶（即仅进行了炭化处理的样品）其全失重率约为47%，而对于活化了3小时的样品总失重率则高达78%。显然，在活化过程中碳材料的大量失重是获得高SA和PV的原因。