一种模板法制备二氧化碳吸附剂陶瓷的方法技术领域
本发明属于二氧化碳吸附剂领域，特别涉及一种模板法制备二氧化碳吸附剂陶瓷
的方法。
背景技术
近年来，随着经济的高速发展和工业化进程的不断加快，作为最主要温室气体CO2
的排放量也日渐增多，所引发的环境问题已经成为全球焦点。减少CO2等温室气体排入大
气、保护人类生存环境的安全是当前亟待解决的全球核心问题之一，愈来愈引起世界各国
的高度重视。
吸收分离的目的是获得在高压下连续的高浓度气流以便于转移CO2到储存罐中或
将其封存。根据其过程不同,可以分为以下三类主要吸收分离的方法,燃料增氧燃烧系统，
燃烧后处理系统，燃烧前处理系统。
目前分离CO2的方法有很多,主要包括溶剂吸收法、吸附法、膜分离法以及这些方
法的组合应用；尽管溶剂吸收法对CO2气体有较好的吸收效果,但因为吸收液再生时需加
热,能耗大,而且还存在污染空气、易氧化降解、对设备腐蚀严重等问题。至今学者们研究了
各种固体吸附收剂，可以大致分为物理吸附剂和化学吸附收剂两大类。其中物理吸附剂包
括沸石分子筛一、硅胶、多孔氧化铝、活性碳'书、微孔配位高聚物及其碱性氧化物或碳酸盐
改性的材料等微孔、介孔材料明。化学吸附收剂包括金属氧化物吸收剂一、水滑石类混合物
一、钙镁基吸收剂、碱金属盐吸收剂一'等。
Li基化合物是现在化学吸附研究的重点之一，其吸附能力强，可多次使用，常见的
锂基化合物包括锆酸锂，硅酸锂，铁酸锂，钛酸锂，硫酸锂，铝酸锂，铜酸锂等多种物质。锆酸
锂是一种新型的材料，在400-700℃下吸收二氧化碳。吸附量为4.5mol/Kg，同时陶瓷材料体
积变化小，与钙剂吸收相比不易烧结，循环吸附能力保持稳定。
浙江师范大学在CN200910154654.9公开了一种高温下可快速吸收CO2的锆酸锂材
料的制备方法。针对现有的锆酸锂材料在高温下吸收CO2吸收速率低的不足之处，提供一种
在高温下可快速吸收CO2的锆酸锂材料的制备方法。高温下可快速吸收CO2的锆酸锂材料的
制备方法是采用柠檬酸溶胶-凝胶法，该方法为：将可溶性锆盐和可溶性锂盐溶于柠檬酸水
溶液中，在含有可溶性锆盐和可溶性锂盐的柠檬酸水溶液中加入氨水、尿素溶液中的一种
以上，经搅拌、干燥、高温煅烧得到锆酸锂材料。所制备的锆酸锂材料CO2吸收性能好，在
0.5bar下CO2气氛中，温度为550℃下，15～60min内可以达到平衡吸收，平衡吸收量达20～
25wt.％。除了专利之外，在中国的期刊学术论文中，也可以查询到较多使用锆酸锂陶瓷用
来吸附CO2，如邱亚琴等就发表了学术论文“锆酸锂陶瓷材料高温分离CO2的研究现状。讲到
锆酸锂的吸附量和吸附速率较低，需要对其进一步提升。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，研制出一种模板法制备二氧化碳吸附剂陶瓷的方
法，该方法所制备出来的二氧化碳吸附剂，颗粒尺寸较小，具有中空和微孔相结合的多维度
微观结构，陶瓷材料比表面积较高，材料活性高，吸附二氧化碳能力强。
一种模板法制备二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，包括如下制备步骤：
(1)备料，锆源为八水合氧氯化锆，锂源为硝酸锂；催化剂为酸性催化剂；碱液为氨
水；结合剂为丙三醇；促凝剂为环氧丙烷；模板剂为聚丙烯酰胺；
(2)将锆源、锂源、催化剂、结合剂，模板剂按照一定配比溶解到去离子水中，随后
缓慢加入碱液，在75-85℃条件下搅拌2-4h，形成透明溶胶；
(3)随后升高温度至85℃，加入促凝剂，得到凝胶前驱体；
(4)将锆酸锂前驱体在研钵中研磨分散，加入活性炭，再次研磨，随后进行冷等静
压成型，成型后，在300-400摄氏度下进行一次烧结，烧结时间为1-2h，随后在550-650摄氏
度下进行二次烧结，烧结时间为1-2h，随后在800-900摄氏度下进行三次烧结，烧结时间为
1-2h，得到二氧化碳吸附剂陶瓷。
作为优选，所述酸性催化剂为柠檬酸。
作为优选，所述多孔碳的比表面积为3000～4500m2/g，平均孔径为50nm，孔洞呈三
维结构。
作为优选，锆源、锂源的摩尔，以Zr和Li计，摩尔比为1：(2-2.1)。
作为优选，在步骤(2)中，优选在80℃条件下搅拌3h，形成透明溶胶。
作为优选，一次烧结温度为350℃，二次烧结的温度为600℃；三次烧结的温度为
850℃。
一种二氧化碳吸附剂陶瓷，采用上述的方法制备所得。
一种如上述二氧化碳吸附剂陶瓷，所述锆酸锂的晶型为四方相锆酸锂，N2吸附结
果显示材料的比表面积为6.2-6.7m2/g。
本发明的有益效果：
本发明通过简单的制备工艺，该方法所制备出来的二氧化碳吸附剂，颗粒尺寸较
小，具有中空和微孔相结合的多维度微观结构，陶瓷材料比表面积较高，材料活性高，吸附
二氧化碳能力强。
具体体现如下：为了构筑多维度围观结构的多孔材料，本发明在传统的溶胶凝胶
法的基础上，对其进行较大程度的改进，具体体现在，第一，采用模板剂；第二，采用多孔碳；
通过模板剂聚丙烯酰胺和多孔碳在溶胶凝胶法体系中的应用，结合对于该制备工艺的整体
调配，最终获得颗粒尺寸较小，具有中空和微孔相结合的多维度微观结构，陶瓷材料比表面
积较高，材料活性高，吸附二氧化碳能力强的吸附剂陶瓷。
在溶胶凝胶法中，综合考虑该体系的制备过程，选择聚丙烯酰胺优化该体系的溶
胶过程，其与锆源、锂源、催化剂、结合剂相结合，在氨水的加入下，得到了透明的溶胶；奠定
了溶胶凝胶法的基础；而在凝胶形成过程中，加入促凝剂，一方面促进凝胶过程；另外一方
面也有利于和有机模板剂的相结合，形成更为稳定的凝胶体系。
而在陶瓷制备过程中，本发明创造性的加入了活性炭，而对于该成型体系，通过三
次烧结工艺，第一次烧结较好的去除模板剂等有机分子，形成微孔；第二次烧结较好的去除
活性炭等成分，使得体系初步形成三维结构体系；第三次烧结，形成吸附剂陶瓷材料。
本发明的制备工艺简单，可以实现产业化的生产。
附图说明
图1是本发明优选实施例1的吸附曲线图；
具体实施方式
下面结合具体的实施例，并参照数据进一步详细描述本发明。应理解，这些实施例
只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
实施例1：
一种模板法制备二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，包括如下制备步骤：
(1)备料，锆源为八水合氧氯化锆，锂源为硝酸锂；催化剂为酸性催化剂；碱液为氨
水；结合剂为丙三醇；促凝剂为环氧丙烷；模板剂为聚丙烯酰胺；
(2)将锆源、锂源、催化剂、结合剂，模板剂按照一定配比溶解到去离子水中，随后
缓慢加入碱液，在80℃条件下搅拌3h，形成透明溶胶；
(3)随后升高温度至85℃，加入促凝剂，得到凝胶前驱体；
(4)将锆酸锂前驱体在研钵中研磨分散，加入活性炭，再次研磨，随后进行冷等静
压成型，成型后，在350摄氏度下进行一次烧结，烧结时间为2h，随后在600摄氏度下进行二
次烧结，烧结时间为2h，随后在850摄氏度下进行三次烧结，烧结时间为2h，得到二氧化碳吸
附剂陶瓷。
所述酸性催化剂为柠檬酸。
所述多孔碳的比表面积为4500m2/g，平均孔径为50nm，孔洞呈三维结构。锆源、锂
源的摩尔，以Zr和Li计，摩尔比为1：2.1。
所述锆酸锂的晶型为四方相锆酸锂，N2吸附结果显示材料的比表面积为6.7m2/g。
在550℃下，CO2分压为0.8bar的条件下，测试其20min内基本达到平衡，平衡吸附量为
28.3wt％。
实施例2：
一种模板法制备二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，包括如下制备步骤：
(1)备料，锆源为八水合氧氯化锆，锂源为硝酸锂；催化剂为酸性催化剂；碱液为氨
水；结合剂为丙三醇；促凝剂为环氧丙烷；模板剂为聚丙烯酰胺；
(2)将锆源、锂源、催化剂、结合剂，模板剂按照一定配比溶解到去离子水中，随后
缓慢加入碱液，在80℃条件下搅拌3h，形成透明溶胶；
(3)随后升高温度至85℃，加入促凝剂，得到凝胶前驱体；
(4)将锆酸锂前驱体在研钵中研磨分散，加入活性炭，再次研磨，随后进行冷等静
压成型，成型后，在350摄氏度下进行一次烧结，烧结时间为2h，随后在600摄氏度下进行二
次烧结，烧结时间为2h，随后在850摄氏度下进行三次烧结，烧结时间为2h，得到二氧化碳吸
附剂陶瓷。
所述酸性催化剂为柠檬酸。
所述多孔碳的比表面积为4500m2/g，平均孔径为50nm，孔洞呈三维结构。锆源、锂
源的摩尔，以Zr和Li计，摩尔比为1：2。
所述锆酸锂的晶型为四方相锆酸锂，N2吸附结果显示材料的比表面积为6.69m2/
g。在550℃下，CO2分压为0.8bar的条件下，测试其20min内基本达到平衡，平衡吸附量为
27.5wt％。
实施例3：
一种模板法制备二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，包括如下制备步骤：
(1)备料，锆源为八水合氧氯化锆，锂源为硝酸锂；催化剂为酸性催化剂；碱液为氨
水；结合剂为丙三醇；促凝剂为环氧丙烷；模板剂为聚丙烯酰胺；
(2)将锆源、锂源、催化剂、结合剂，模板剂按照一定配比溶解到去离子水中，随后
缓慢加入碱液，在80℃条件下搅拌3h，形成透明溶胶；
(3)随后升高温度至85℃，加入促凝剂，得到凝胶前驱体；
(4)将锆酸锂前驱体在研钵中研磨分散，加入活性炭，再次研磨，随后进行冷等静
压成型，成型后，在350摄氏度下进行一次烧结，烧结时间为2h，随后在600摄氏度下进行二
次烧结，烧结时间为2h，随后在900摄氏度下进行三次烧结，烧结时间为2h，得到二氧化碳吸
附剂陶瓷。
所述酸性催化剂为柠檬酸。
所述多孔碳的比表面积为4500m2/g，平均孔径为50nm，孔洞呈三维结构。锆源、锂
源的摩尔，以Zr和Li计，摩尔比为1：2.1。
所述锆酸锂的晶型为四方相锆酸锂，N2吸附结果显示材料的比表面积为6.7m2/g。
在550℃下，CO2分压为0.8bar的条件下，测试其20min内基本达到平衡，平衡吸附量为
28.0wt％。
实施例4：
一种模板法制备二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，包括如下制备步骤：
(1)备料，锆源为八水合氧氯化锆，锂源为硝酸锂；催化剂为酸性催化剂；碱液为氨
水；结合剂为丙三醇；促凝剂为环氧丙烷；
(2)将锆源、锂源、催化剂、结合剂按照一定配比溶解到去离子水中，随后缓慢加入
碱液，在80℃条件下搅拌3h，形成透明溶胶；
(3)随后升高温度至85℃，加入促凝剂，得到凝胶前驱体；
(4)将锆酸锂前驱体在研钵中研磨分散，加入活性炭，再次研磨，随后进行冷等静
压成型，成型后，在350摄氏度下进行一次烧结，烧结时间为2h，随后在600摄氏度下进行二
次烧结，烧结时间为2h，随后在850摄氏度下进行三次烧结，烧结时间为2h，得到二氧化碳吸
附剂陶瓷。
所述酸性催化剂为柠檬酸。
所述多孔碳的比表面积为4500m2/g，平均孔径为50nm，孔洞呈三维结构。锆源、锂
源的摩尔，以Zr和Li计，摩尔比为1：2.1。
所述锆酸锂的晶型为四方相锆酸锂，N2吸附结果显示材料的比表面积为6.0m2/g。
在550℃下，CO2分压为0.8bar的条件下，测试其20min内基本达到平衡，平衡吸附量为
27.3wt％。
实施例5：
一种模板法制备二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，包括如下制备步骤：
(1)备料，锆源为八水合氧氯化锆，锂源为硝酸锂；催化剂为酸性催化剂；碱液为氨
水；结合剂为丙三醇；促凝剂为环氧丙烷；模板剂为聚丙烯酰胺；
(2)将锆源、锂源、催化剂、结合剂，模板剂按照一定配比溶解到去离子水中，随后
缓慢加入碱液，在80℃条件下搅拌3h，形成透明溶胶；
(3)随后升高温度至85℃，加入促凝剂，得到凝胶前驱体；
(4)将锆酸锂前驱体在研钵中研磨分散，再次研磨，随后进行冷等静压成型，成型
后，在350摄氏度下进行一次烧结，烧结时间为2h，随后在600摄氏度下进行二次烧结，烧结
时间为2h，随后在850摄氏度下进行三次烧结，烧结时间为2h，得到二氧化碳吸附剂陶瓷。
所述酸性催化剂为柠檬酸。
锆源、锂源的摩尔，以Zr和Li计，摩尔比为1：2.1。
所述锆酸锂的晶型为四方相锆酸锂，N2吸附结果显示材料的比表面积为5.7m2/g。
在550℃下，CO2分压为0.8bar的条件下，测试其20min内基本达到平衡，平衡吸附量为
27.0wt％。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在
不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论
从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权
利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有
变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包
含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当
将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员
可以理解的其他实施方式。