室温下具有流动行为的中空碳球HCS多孔液体及制备方法
文献发布时间:2023-06-19 11:24:21
技术领域
本发明属于多孔液体及制备方法,涉及一种室温下具有流动行为的中空碳球HCS多孔液体及制备方法,是一种高性能吸附材料,可应用于高效溶剂、气体选择性吸附、分离和光热转化等领域。
背景技术
多孔材料具有内部孔结构稳定、孔隙率高、孔隙结构可控等优点,在气体吸附/分离、隔音减震、催化以及主客体分子识别等许多领域具有广泛的应用。但由于其本身不具有流动性给其应用带来一定的限制。液体材料本身具有流动性,但是每一个分子都在附近运动,变换位置,孔隙不稳定,随着热运动随时消失,即传统液体中存在的瞬态非本征空腔结构。为了弥补这个缺点,拓宽其应用范围,在致密液体中引入空腔结构,使得空腔结构能够永久稳定地存在于液体中,制备得到具有永久孔隙的液体,即多孔液体。与传统液体的不同在于它结合了多孔固体和液体的优点,在气体吸附、气体选择性分离、催化和光热转化等方面具有巨大的潜在应用价值。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处,本发明提出一种室温下具有流动行为的中空碳球HCS多孔液体及制备方法,一种含稳定HCS中空结构、咪唑型PILs,HCS平均外径可调范围为100nm-500nm,平均壁厚为5-10nm,质量百分含量大于5%,孔隙率大于30%的多孔液体,对CO
技术方案
一种室温下具有流动行为的中空碳球HCS多孔液体,其特征在于:是以HCS为核,外包覆长链有机物;两者的质量分数为:5~15%的HCS和85~95%长链有机物;所述长链有机物为聚合物离子液体PILs与4-壬基酚-聚乙烯醚磺钾PEGS阴离子交换后的有机长链,PILs与PEGS的摩尔比为1:1。
所述HCS为中空纳米粒子。
所述中空纳米粒子HCS平均直径范围为100nm-500nm。
所述中空纳米粒子HCS平均壁厚为5nm-10nm。
所述聚合物离子液体PILs包括聚1-(4-乙烯基苯基)甲基-3-丁基咪唑氯盐P[VBBI]Cl或聚1-(4-乙烯基苯基)甲基-3-丁基咪唑溴盐P[VHIm]Br。
一种制备所述室温下具有流动行为的中空碳球HCS多孔液体的方法,其特征在于步骤如下:
步骤1、硬模板法制备HCS:以
将其在350~800℃,氮气氛围下用管式炉进行高温碳化4~8h以去除有机物,制备得到SiO
再将其用氢氟酸进行刻蚀去除模板SiO
步骤2:以质量比为1:100-120将HCS分散在去离子水中,超声均匀分散;以质量比为1:10-12将聚合物离子PILs溶于去离子水中,超声使其溶解完全;两种溶液混合,30~50℃下搅拌20~30h,得到PILs包覆的HCS,将其命名为PILs@HCS;称取与PILs摩尔比为1:1的PEGS,同样将其溶解到去离子水中,溶解完全后加入到之前的混合溶液中,磁力搅拌,60~100℃下反应20~30h,进行阴离子交换;反应完成后,将烘干再加入丙酮超声,静置后将上清液倒出继续放入烘箱进行烘干去除丙酮,得到的基于中空碳球的多孔液体,将其命名为HCS-PILs-PEGS。
所述步骤1的干燥是置于50~100℃烘箱进行干燥。
所述氢氟酸为5wt%。
当采用的聚合物离子液体PILs为聚1-乙烯基-3-庚基咪唑溴盐P[VHIm]Br时,P[VHIm]Br的制备,称量摩尔比为1-1:1.2的乙烯基咪唑和溴庚烷、0.1g 2,6-二叔丁基苯酚加入到三口烧瓶中,再加入乙醇60mL;N
当采用的聚合物离子液体PILs为聚1-(4-乙烯基苯基)甲基-3-丁基咪唑氯盐P[VBBI]Cl时,P[VBBI]Cl的制备,称量摩尔比为1:1-1.2的对氯甲基苯乙烯和N-丁基咪唑,0.1g 2,6-二叔丁基苯酚加入到三口烧瓶中,再加入乙醇60mL,N
有益效果
本发明提出的一种室温下具有流动行为的中空碳球HCS多孔液体及制备方法,是基于中空碳球(HCS)和聚合物离子液体(PILs)的含有稳定存在空腔结构的多孔液体。它融合了多孔固体(如沸石和金属有机框架,具有永久性、刚性、定义明确的孔)和液体(具有流动性、快速加热和传质)的特性。采用中空碳球HCS为核,通过静电辅助作用在其表面修饰聚合物离子液体PILs,再通过阴离子交换,将与PILs电性相反的有机低聚物(如4-壬基酚-聚乙烯醚磺钾PEGS)接枝在HCS表面制备得到多孔液体,室温下呈现液体状态,HCS单分散。本发明的HCS多孔液体制备方法简单、易行,由于中空碳球纳米粒子室温下在多孔液体中呈单分散状态,使得其在气体吸附、光热转化和催化转化等方面具有潜在的应用前景。
本发明相比现有技术的优点在于:
制备得到的多孔液体兼具固体多孔材料(如沸石和金属有机框架)固有的孔隙结构、高比表面积、低密度、刚性和液体的流动性、快速加热和传质等优点。以HCS为核,PILs(含有咪唑基团或季铵盐)和PEGS(含有醚键)为外层制备得到的多孔液体具有固体孔隙材料HCS的特征,比常规液体具有更大的孔隙含量,结合物理吸附和化学吸附的共同作用,在工业上可采用可持续、连续化的液体工艺过程,使得多孔液体具有更好的溶解性、气体吸附/选择性。同时碳材料由于其结构的特殊性能够在近红外光区有很强的吸收,能够实现光热转化。与传统的传热强化研究相比,基于HCS的多孔液体在具有较好的光吸收性能外,很好的解决了纳米材料在流体中的悬浮稳定和均匀分散性,在疾病治疗、海水淡化、新能源领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1:HCS的制备示意图
图2:聚1-(4-乙烯基苯基)甲基-3-丁基咪唑溴盐(P[VHIm]Br)的合成
图3:多孔液体的制备示意图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
本发明的技术思想是:
本发明中以HCS为核,通过静电作用将咪唑型PILs与PEGS阴离子交换后的长链有机物作为外层修饰在HCS表面,制备得到含有质量分数5%-15%的HCS,质量分数85~95%的长链有机物(PILs-PEGS)的多孔液体。
本发明所用的中空纳米粒子HCS采用硬模板法制备。
本发明所用的中空纳米粒子HCS平均直径的可调制备范围为100nm-500nm,平均壁厚为5-10nm。
本发明所用的聚合物离子液体PILs为咪唑型的PILs,称为颈状层。
本发明所用的长链有机物为和PILs电性相反的有机低聚物(如4-壬基酚-聚乙烯醚磺钾),称为冠状层。
本发明的一种在室温下具有流动行为的HCS多孔液体的制备方法,按以下步骤进行。
本发明采用硬模板法制备中空碳球HCS,采用
本发明的制备图示以P[VHIm]Br为例,见附图。
实施例1:
HCS的制备:以
聚1-(4-乙烯基苯基)甲基-3-丁基咪唑溴盐的合成(P[VHIm]Br)的制备:准确称量乙烯基咪唑4.7g(0.05mol),溴庚烷8.95g(0.05mol),2,6-二叔丁基苯酚(DBMP)0.1g,乙醇60mL,加入到150mL三口烧瓶中,N
多孔液体的制备:将0.5g的HCS分散在去离子水中,超声使其均匀分散,将0.5g P[VHIm]Br溶于去离子水中,超声使其溶解完全,将其加入到分散有HCS的溶液中,35℃下搅拌24h,得到PILs包覆的HCS,将其命名为HCS@PILs。称取相应质量的PEGS,同样将其溶解到去离子水中,溶解完全后加入到之前的混合溶液中,磁力搅拌,70℃下反应24h,进行阴离子交换。反应完成后,将其倒入烧杯中,在75℃烘箱中进行烘干,然后加入丙酮超声10min,静置30min后将上清液倒出继续放入烘箱进行烘干去除丙酮,制备得到的基于中空碳球的多孔液体将其命名为HCS-P[VHIm]Br-PEGS。
实施例2:以P[VBBI]Cl取代P[VHIm]Br
P[VBBI]Cl的制备,称量摩尔比为1:1-1.2的对氯甲基苯乙烯和N-丁基咪唑,0.1g2,6-二叔丁基苯酚加入到三口烧瓶中,再加入乙醇60mL,N
实施例4:
不同粒径HCS的制备:以
聚1-(4-乙烯基苯基)甲基-3-丁基咪唑氯盐(P[VBBI]Cl)的制备:与P[VHIm]Br制备过程相似。首先准确称量对氯甲基苯乙烯7.63g(0.05mol),N-丁基咪唑5.67g(0.05mol),2,6-二叔丁基苯酚(DBMP)0.1g,乙醇60mL,加入到150mL三口烧瓶中,N
多孔液体的制备:与HCS-P[VHIm]Br-PEGS制备过程相似。将0.5g的HCS分散在去离子水中,超声使其均匀分散,将0.5g P[VBBI]Cl溶于去离子水中,超声使其溶解完全,将其加入到分散有HCS的溶液中,35℃下搅拌24h,得到PILs包覆的HCS,将其命名为HCS@PILs。称取相应质量的PEGS,同样将其溶解到去离子水中,溶解完全后加入到之前的混合溶液中,磁力搅拌,70℃下反应24h,进行阴离子交换。反应完成后,将其倒入烧杯中,在75℃烘箱中进行烘干,然后加入丙酮超声10min,静置30min后将上清液倒出继续放入烘箱进行烘干去除丙酮,制备得到的基于中空碳球的多孔液体将其命名为HCS-P[VBBI]Cl-PEGS。
实施例4:以P[VHIm]Br取代P[VBBI]Cl:
P[VHIm]Br的制备,称量摩尔比为1-1:1.2的乙烯基咪唑和溴庚烷、0.1g 2,6-二叔丁基苯酚加入到三口烧瓶中,再加入乙醇60mL;N
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