中空碳纳米球的制备及VOCs吸附性能

doi:10.7503/cjcu20200864

摘要/Abstract

摘要：

首先, 在碱性条件下, 不使用表面活性剂, 采用St?ber小球法以正硅酸四乙酯(TEOS)和正硅酸四丙酯(TPOS)为硅源, 生成初级氧化硅球形颗粒; 然后, 使酚醛树脂(间苯二酚和甲醛)与球形氧化硅的羟基共缩合形成酚醛树脂-氧化硅复合材料; 最后, 经高温碳化和酸蚀获得了空心碳纳米球(HCNSs). 通过调节TEOS/TPOS的摩尔比获得了一系列具有良好的单分散性且粒径、壁厚可调节的HCNSs, 其粒径和壁厚分别在280~430 nm和15~63 nm的范围内. 仅以TPOS为硅源时合成的HCNS-0/4具有较大的粒径(426 nm)和壁厚(63 nm)、较高的比表面积(1216 m²/g)和孔容(0.508 cm³/g), 并且具有较大的挥发性有机化合物(VOCs)吸附性能, 其正己烷、甲苯和油气的静态吸附容量分别为2.02, 1.42和0.926 g/g, 正己烷和甲苯的动态吸附容量分别为2.01 g/g和1.37 g/g, 均远高于商业化活性炭.

关键词: 空心碳球, 挥发性有机化合物, 吸附, 解吸, 稳定性

Abstract:

Under alkaline conditions and without using surfactants， primary spherical siliceous particles were produced through St?ber method with tetraethyl orthosilicate（TEOS） and tetrapropyl orthosilicate（TPOS） as silica sources， then phenolic resin-silica composites were obtained by co-condensation of phenolic resin（isobenzene diphenol and formaldehyde） and the hydroxyl groups of silica. Hollow carbon nanospheres（HCNSs） were obtained after high temperature carbonization and acid etching of the phenolic resin-silica composites. By adjusting the molar ratio of TEOS/TPOS， a series of HCNSs with good monodispersity and adjustable particle sizes and wall thicknesses was obtained. The particle sizes and wall thicknesses are in the range of 280—430 nm and 15—63 nm， respectively. HCNS synthesized only with TPOS as silica source（HCNS-0/4） has a larger particle size（426 nm）， wall thickness（63 nm）， higher specific surface area（1216 m²/g） and pore volume（0.508 cm³/g）， and the best VOCs adsorption performance. For HCNS-0/4， the static n-hexane， toluene and oil vapor adsorption capacities are 2.02， 1.42 and 0.926 g/g， respectively， and the dynamic n-hexane and toluene adsorption capacities are 2.01 and 1.37 g/g， respectively， which are much higher than those of commercial activated carbon.

Key words: Hollow carbon nanosphere, Volatile organic compound（VOC）, Adsorption, Desorption, Stability

中图分类号:

O613.71

TrendMD:

王红宁, 黄丽, 宋夫交, 朱婷, 黄维秋, 钟璟, 陈若愚. 中空碳纳米球的制备及VOCs吸附性能. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1704.

WANG Hongning, HUANG Li, SONG Fujiao, ZHU Ting, HUANG Weiqiu, ZHONG Jing, CHEN Ruoyu. Synthesis and VOCs Adsorption Properties of Hollow Carbon Nanospheres. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 1704.

图/表 17

参考文献 37

1	Zhang X.， Miao X.， Xiang W.， Zhang J.， Cao C.， Wang H.， Hu X.， Gao B.， J. Hazard. Mater.， 2020， 403， 123540
2	Ouzzine M.， Romero⁃Anaya A. J.， Lillo⁃Ródenas M. A.， Linares⁃Solano A.， Carbon， 2019， 148， 214—223
3	Jodłowski P. J.， Jędrzejczyk R. J.， Chlebda D.， Tyczkowski J.， Kryca J.， Kołodziej A.， Łojewska J.， Top Catal.， 2017， 60（3—5）， 318—325
4	Zhu Y.， Qian X.， Ren M.， Zhao Y.， Yue D.， Kan M.， Zhang T.， Tian Z.， Appl. Catal. B⁃Environ.， 2016， 193， 16—21
5	Chen Q.， Liu L.， Liu L.， Zhang Y.， Chemosphere， 2020， 225， 126930
6	Veerapandian S. K. P.， Leys C.， Geyter N. D.， Morent R.， Catalysts， 2017， 60（3—5）， 318—325
7	Liu H.， Xu B.， Wei K.， Yu Y.， Long C.， SCI Total Environ.， 2020， 733， 139376
8	Wang H.， Yang Q.， Zhang Z.， Song F.， Chen R.， J. Porous. Mat.， 2020， 27（4）， 1179—1190
9	Huang W.， Xu J.， Tang B.， Wang H.， Tan X.， Lv A.， Adsorpt. Sci Technol.， 2018， 36（3/4）， 888—903
10	Yin T.， Meng X.， Jin L.， Yang C.， Shi L.， Micropor. Mesopor. Mat.， 2020， 305， 110327
11	Karaipekli A.， Biçer A.， Sarı A.， Tyagi V. V.， Energ. Convers. Manage.， 2017， 134， 373—381
12	Yang X.， Sun C.， Lin B.， Huang Q.， Chemosphere， 2020， 256， 127054
13	Dang Y.， Holmes D. E.， Zhao Z.， Woodard T. L.， Lovely D. R.， Bioresource Technol.， 2016， 220， 516—522
14	Kholmanov I.， Kim J.， Ou E.， Ruoff R. S.， Shi L.， ACS Nano， 2015， 9（12）， 11699—11707
15	Zhang L.， Liu M.， Roy S.， Chua E. K.， See K. Y.， Hu X.， ACS Appl. Mater. Inter.， 2016， 8（11）， 7422—7430
16	Barretta R.， Brčić M.， Čanađija M.， Luciano R.， Francesco M. D. S.， Eur. J. Mech. A⁃Solid， 2017， 65， 1—13
17	Zhen. Y.， Xiong Y.， Jiang H. L.， Chen Y. Z.， Wang C.， Shu H.， Adv. Mater.， 2015， 27（34）， 5010—5016
18	Wang S.， Cheng F.， Zhang P.， Li W. C.， Lu A. H.， Nano Res.， 2017， 10（6）， 2106—2116
19	Tian H.， Wu J.， Zhang W.， Yang S.， Li F.， Qi Y.， Chem. Eng. J.， 2017， 313， 1051—1060
20	Rosas J. M.， Ruiz⁃Rosas R.， Rodríguez⁃Mirasol J.， Cordero T.， Chem. Eng. J.， 2017， 307， 707—721
21	Cui K.， Wang C.， Luo Y.， Li L.， Gao J.， Chen W.， Xu W.， Liu Y.， Ma Z.， Wang X.， Appl. Surf. Sci.， 2020， 531（30）， 147302
22	Srivastava I.， Singh P. K.， Gupta T.， Sankararamakrishnan N.， J. Environ. Chem. Eng.， 2019， 7（4）， 103271
23	Zhang X.， Gao B.， Creamer A. E.， Cao C.， Li Y.， J. Hazard. Mater.， 2017， 338， 102—123
24	Rodriguez M. A.， Anunziata O. A.， Beltramone A. R.， Martínez M. L.， Mater. Lett.， 2021， 283， 128900
25	Liang C.， Li Z.， Dai S.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2008， 47（20）， 3696—3717
26	Chen X.， Kierzek K.， Jiang Z.， Chen H.， Tang T.， Wojtoniszak M.， Kalenczuk R. J.， Chu P. K.， Borowiak⁃Palen E.， J. Phys. Chem. C， 2011， 115（36）， 17717—17724
27	Shi X.， Liu J.， Li C.， Yang Q.， Inorg. Chem.， 2007， 46（19）， 7944—7952
28	Fang Y.， Gu D.， Zou Y.， Wu Z.， Li F.， Che R.， Deng Y.， Tu B.， Zhao D.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2010， 49（43）， 7987—7991
29	Demir⁃Cakan R.， Hu Y. S.， Antonietti M.， Maier J.， Planck M.， Chem. Mater.， 2008， 20（4）， 1227—1229
30	Qiao Z. A.， Guo B.， Binder A. J.， Chen J.， Veith G. M.， Dai S.， Nano Lett.， 2013， 13（1）， 207—212
31	Zhang H.， Noonan O.， Huang X.， Yang Y.， Xu C.， Zhou L.， Yu C.， ACS Nano， 2016， 10（4）， 4579—4586
32	Liu D.， Tufa L. T.， Lee J.， Electrochim. Acta， 2019， 313， 389—396
33	Zhang W.， Cheng H.， Niu Q.， Fu M.， Huang H.， Ye D.， Environ. Sci. Technol.， 2019， 53（13）， 7632—7640
34	Srivastava I.， Singh P. K.， Gupta T.， Sankararamakrishnan N.， J. Environ. Chem. Eng.， 2019， 7（4）， 103271
35	Sun F.， Gao J.， Liu X.， Yang y.， Wu S.， Mater. Lett.， 2016， 175， 56—59
36	Li G， Zou C， Sun Y.， Fan W.， Ma X.， Tao J.， Li P.， Xu Y.， ACS Sustain. Chem. Eng.， 2019， 5， 1—29
37	Dou B.， Hua Q.， Li J.， Qiao S.， Hao Z.， J. Hazard. Mater.， 2011， 186（2/3）， 1615—1624

Sample	S_BET/(m²·g^-1)	S_micro/(m²·g^-1)	V₀/(cm3·g^-1)	V_micro/(cm3·g^-1)	Pore size/nm
HCNS?4/0	390	123	0.48	0.066	3.9
HCNS?3/1	831	178	0.90	0.089	3.9
HCNS?2/2	842	168	0.92	0.081	3.9
HCNS?1/3	1216	140	1.65	0.073	4.7
HCNS?0/4	1267	61	1.77	0.024	5.4
AC	1654	652	1.06	0.480	5.6

Sample	S_BET/(m²·g^-1)	S_micro/(m²·g^-1)	V₀/(cm3·g^-1)	V_micro/(cm3·g^-1)	Pore size/nm
HCNS?4/0	390	123	0.48	0.066	3.9
HCNS?3/1	831	178	0.90	0.089	3.9
HCNS?2/2	842	168	0.92	0.081	3.9
HCNS?1/3	1216	140	1.65	0.073	4.7
HCNS?0/4	1267	61	1.77	0.024	5.4
AC	1654	652	1.06	0.480	5.6

Sample	Breakthrough time/min	Balance time/min	Adsorption amount(g/g)	Desorption efficiency(%)
HCNS?0/4?1st	44	82	2.01	98.4
HCNS?0/4?2nd	44	82	2.02	97.5
HCNS?0/4?3rd	44	80	1.95	99.5
HCNS?0/4?4th	42	80	1.96	99.6
HCNS?0/4?5th	42	80	1.97	99.6
AC?1st	36	74	0.601	73.7
AC?2nd	28	62	0.480	97.7
AC?3rd	28	60	0.470	98.2
AC?4th	26	60	0.470	98.4
AC?5th	26	58	0.460	98.3

Sample	Breakthrough time/min	Balance time/min	Adsorption amount(g/g)	Desorption efficiency(%)
HCNS?0/4?1st	44	82	2.01	98.4
HCNS?0/4?2nd	44	82	2.02	97.5
HCNS?0/4?3rd	44	80	1.95	99.5
HCNS?0/4?4th	42	80	1.96	99.6
HCNS?0/4?5th	42	80	1.97	99.6
AC?1st	36	74	0.601	73.7
AC?2nd	28	62	0.480	97.7
AC?3rd	28	60	0.470	98.2
AC?4th	26	60	0.470	98.4
AC?5th	26	58	0.460	98.3

Cycle	Breakthrough time/min	Balance time/min	Adsorption amount/(g·g^-1)	Desorption efficiency(%)
1st	38	68	1.37	99.2
2nd	38	68	1.37	99.6
3rd	36	66	1.35	99.5
4th	36	66	1.35	99.4
5th	36	64	1.34	99.5