抗乙醇干扰甲烷传感器用纳米多孔碳材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及甲烷传感器材料领域，尤其涉及一种抗乙醇干扰甲烷传感器用纳米多孔碳材料及其制备方法。


背景技术：

2.甲烷（瓦斯）在自然界分布很广，是煤层气、天然气、沼气、坑气的主要成分，广泛应用于家庭生活和工业生产。同时，甲烷属于易燃易爆气体，其渗透能力是空气的1.6倍，难溶于水，在煤矿开采作业或天然气管道因老化、腐蚀出现泄漏时，甲烷气体在通风不佳区域会不断聚集，特别是当甲烷气体浓度在空气中达到极限时，一旦遇到明火或电火花极易发生火灾甚至爆炸，严重威胁人民的生命财产安全，而且因其强大的破坏力而产生巨大的经济损失和重大的社会负面影响。为保障煤矿安全开采、天然气管道安全运行以及居民安全用气，常采用现场安装甲烷传感器对甲烷浓度进行实时监测和检测。
3.目前，甲烷传感器种类众多，其中基于气敏传感技术的半导体气敏式甲烷传感器应用最为广泛。当环境空气中有甲烷气体存在时，内置的金属氧化物半导体气敏材料与甲烷发生吸附和氧化还原反应而引起传感器电导率变化，从而检测出甲烷气体浓度。该传感器虽然具有反应快、精度高、结构简单、成本低等特点，但其除了对甲烷气体产生响应外，还会对乙醇气体产生响应（乙醇在生产和生活中广泛使用，且容易挥发），因而严重干扰甲烷传感器检测准确度。如打开酒瓶或使用料酒的时候会有乙醇挥发，甲烷传感器遇到乙醇后就会发生误报警，甲烷传感器的不准确性严重影响了用户体验。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够选择性吸附乙醇，不吸附甲烷的抗乙醇干扰甲烷传感器用纳米多孔碳材料及其制备方法。
5.为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种抗乙醇干扰甲烷传感器用纳米多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：s1、制备碳前驱体：将甲醛、苯酚和三乙胺放入烧瓶中，在600rpm的搅拌速度下加入去离子水和乙烯醇，在95℃下进行预聚合30-60min，然后加入六亚甲基四胺，在95℃和搅拌速度600rpm的条件下聚合3-5小时；反应体系冷却后，将碳前驱体过滤出来用去离子水洗涤后放入100℃的烘箱内进行干燥；s2、碳化：步骤s1结束后，将碳前驱体在高纯氮气保护下逐渐升温，进行碳化；s3、活化：步骤s2结束后，在800℃下通入饱和水蒸汽进行活化；s4、化学改性：步骤s3结束后，取活化后的纳米多孔碳加入浓硝酸和浓硫酸的混合酸中，在100℃下加热回流1-24小时，反应体系冷却后，将纳米多孔碳材料过滤出来用去离子水洗涤后放入烘箱内进行干燥。
6.进一步地，所述步骤s1中甲醛和苯酚的摩尔比为3：2，三乙胺的质量分数为1-2%，乙烯醇的质量分数为3-8%，去离子水的质量分数为15-30%，六亚甲基四胺的质量分数为
4.5-6.5%。
7.进一步地，所述步骤s2中的升温程序设定为：室温～340℃，5℃/min；340℃，0.5小时；340℃～500℃，5℃/min；500℃，1小时；500℃～800℃，5℃/min；800℃，1小时。
8.进一步地，所述步骤s3活化过程中水蒸汽的流速为20-50ml/min。
9.进一步地，所述步骤s4中浓硝酸和浓硫酸体积比为0.5:1.5。
10.一种根据抗乙醇干扰甲烷传感器用纳米多孔碳材料制备方法所制得的抗乙醇干扰甲烷传感器用纳米多孔碳材料。
11.进一步地，所述纳米多孔碳材料的孔径分布在1-3nm之间，其表面做了化学改性，通过化学修饰手段在纳米多孔碳材料的孔道表面制备出羟基、羧基等极性基团，用于增强对乙醇的吸附能力，降低对甲烷的吸附能力。
12.与现有技术相比，本发明的有益之处在于：这种抗乙醇干扰甲烷传感器用纳米多孔碳材料及其制备方法具有选择性吸附乙醇而不吸附甲烷的特点，其应用于甲烷传感器上后实现了选择性吸附乙醇的功能，避免乙醇对甲烷传感器造成干扰，提高了甲烷传感器的检测准确度。
附图说明
13.图1为本发明抗乙醇干扰甲烷传感器用纳米多孔碳材料的孔径分布图。
具体实施方式
14.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
15.一种抗乙醇干扰甲烷传感器用纳米多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：s1、制备碳前驱体：将甲醛、苯酚和三乙胺放入烧瓶中，在600rpm的搅拌速度下加入去离子水和乙烯醇，在95℃下进行预聚合30-60min，然后加入六亚甲基四胺，在95℃和搅拌速度600rpm的条件下聚合3-5小时；反应体系冷却后，将碳前驱体过滤出来用去离子水洗涤后放入100℃的烘箱内进行干燥；上述甲醛和苯酚的摩尔比为3：2，三乙胺的质量分数为1-2%，乙烯醇的质量分数为3-8%，去离子水的质量分数为15-30%，六亚甲基四胺的质量分数为4.5-6.5%；s2、碳化：步骤s1结束后，将碳前驱体在高纯氮气保护下逐渐升温，进行碳化，升温程序设定为：室温～340℃，5℃/min；340℃，0.5小时；340℃～500℃，5℃/min；500℃，1小时；500℃～800℃，5℃/min；800℃，1小时；s3、活化：步骤s2结束后，在800℃下通入饱和水蒸汽进行活化，水蒸汽的流速为20-50ml/min；s4、化学改性：步骤s3结束后，取活化后的纳米多孔碳加入浓硝酸和浓硫酸体积比为0.5-1.5的混合酸中，在100℃下加热回流1-24小时，反应体系冷却后，将纳米多孔碳材料过滤出来用去离子水洗涤后放入烘箱内进行干燥。
16.实施例1s1、将121.7g甲醛、94.1g苯酚和3.2g三乙胺放入容量为1000ml的烧瓶中，在600rpm的搅拌下加入402g去离子水和32.5g乙烯醇，在95℃下预聚合1小时，然后加入29.5g六亚甲基四胺，在95℃和搅拌速度为600rpm的条件下聚合4小时；反应体系冷却后，将碳前
驱体过滤出来用去离子水洗涤3次后放入100℃的烘箱内进行干燥12小时；s2、碳化：步骤s1结束后，取20g碳前驱体装入管式炉中，在高纯氮气保护下逐渐升温，进行碳化，升温程序设定为：室温～340℃，5℃/min；340℃，0.5小时；340℃～500℃，5℃/min；500℃，1小时；500℃～800℃，5℃/min；800℃，1小时；s3、活化：步骤s2结束后，在800℃下通入饱和水蒸汽进行活化，水蒸汽的流速为36ml/min；s4、化学改性：步骤s3结束后，取活化后的纳米多孔碳10g加入20ml的68%浓硝酸和98%的浓硫酸的混合酸中，浓硝酸和浓硫酸体积比为0.5：1.5，在100℃下加热回流12小时，反应体系冷却后，将纳米多孔碳材料过滤出来用去离子水洗涤3次后放入烘箱内进行干燥12小时。
17.一种根据抗乙醇干扰甲烷传感器用纳米多孔碳材料制备方法所制得的抗乙醇干扰甲烷传感器用纳米多孔碳材料，如图1所示，所述纳米多孔碳材料的孔径分布在1-3nm之间，其表面做了化学改性，通过化学修饰手段在纳米多孔碳材料的孔道表面制备出羟基、羧基等极性基团，用于增强对乙醇的吸附能力，降低对甲烷的吸附能力。
18.从物理角度看，甲烷的分子动力学直径是0.38nm，乙醇的分子动力学直径是0.5nm。研究表明，孔径需要大于分子动力学直径2倍气体分子才能进入孔内被吸附，因此，要实现对乙醇的选择性吸附，孔径需要在1nm以上；然而孔径过大，吸附的分子容易脱附，因此对于可以选择性吸附乙醇但不吸附甲烷的窄孔径分布的纳米多孔碳最理想的孔径分布是1-3nm。在这个孔径范围内，乙醇容易被吸附且不容易脱附，甲烷则不容易被吸附，即使被吸附也很容易脱附。从化学角度看，甲烷属于非极性分子，乙醇属于极性较强的分子，因此可以通过化学修饰手段将纳米多孔碳的孔道表面制备出羟基、羧基等极性基团，从而增强对乙醇的吸附能力，同时降低对甲烷的吸附能力。
19.这种抗乙醇干扰甲烷传感器用纳米多孔碳材料及其制备方法具有选择性吸附乙醇而不吸附甲烷的特点，其应用于甲烷传感器上后实现了选择性吸附乙醇的功能，避免乙醇对甲烷传感器造成干扰，提高了甲烷传感器的检测准确度。
20.需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。