一种以树叶为模板制备多级孔活性炭的方法技术

本发明专利技术涉及一种以树叶为模板制备多级孔活性炭的方法。其技术方案是以树叶为模板，以重交沥青为碳源，耦合模板法与控制热分解‑部分水蒸气活化法制备多级孔活性炭，使得树叶在炭化分解过程中能保留其原有结构，而处于熔融流动态的沥青能印刻进入树叶的微观结构，形成具有树叶微观结构的反式结构。本发明专利技术所制备的活性炭多级孔特征明显，孔径分布曲线呈现明显的双峰，其中微孔百分率14.9~34.9%，中孔百分率65.0~85.0%。本发明专利技术所述的树叶模板耦合工艺制备多级孔活性炭能克服传统活性炭制备工艺中活化剂成本高、腐蚀设备、污染环境、产品残留化学药品等缺点。

Method for preparing multilevel pore activated carbon using leaf as template

The invention relates to a method for preparing multilevel pore activated carbon using leaves as templates. The technical scheme is that the leaf is the template and the heavy asphalt is used as the carbon source. The multistage pore active carbon is prepared by the coupling template method and the steam activation method of controlling the thermal decomposition. The leaves can retain their original structure during the carbonization decomposition process, and the asphalt in the molten flow can be engraved into the microstructure of the leaves. A trans structure with a microscopic structure of a leaf. The characteristics of the multistage pore of the activated carbon prepared by the invention are obvious, and the pore size distribution curve is obvious in Shuangfeng, in which the percentage of micropores is 14.9~34.9% and the percentage of the mesopore is 65.0~85.0%. The preparation of multilevel porous activated carbon by the leaf template coupling process described in the invention can overcome the disadvantages of high cost of activating agent, corrosion equipment, pollution environment and residual chemical drugs in the traditional activated carbon preparation process.

【技术实现步骤摘要】
一种以树叶为模板制备多级孔活性炭的方法
本专利技术属于活性炭制备
具体涉及一种以树叶为模板制备多级孔活性炭的方法。
技术介绍
活性炭因其巨大的比表面积和发达的孔隙结构、化学稳定性及热稳定性，在降低工业污染、超级电容器、催化剂载体、生物医学工程等许多领域得到广泛应用。石油重交沥青是石油生产中产量很大的非能源产品，其应用潜力很大，一般用于铺设道路、建筑防水防潮等方面。若将石油沥青应用于制备活性炭的碳源，不仅能扩大石油沥青的市场需求、增加其利用率，还能提升其附加值。多级孔材料通常兼具微孔（孔隙直径小于2nm）、中孔（直径2~50nm）、大孔（直径大于50nm）结构。多级孔炭材料在电极材料、分离与吸附材料中占有优势，大孔能提高离子的穿透能力和扩散能力；中孔为离子提供低阻力通道；微孔提升材料比表面积和孔容。因此多级孔炭材料能通过减小离子扩散阻力及缩短有效扩散距离从而优化电化学电容器性能和材料分离性能，具体表现在提升电化学电容器电容和充放电效率及提高分离材料的吸附容量和吸附速率。研究表明，活性炭在炭化期间形成的孔隙对多级孔炭材料孔径分布具有重要意义。碳源在炭化过程中以树叶天然结构为模板进行印模，可对活性炭的孔结构进行调控，形成活性炭的基本骨架。近年来，仿生学是制备新型材料的一种有效方式。在新型材料合成领域，生物体精致的微观结构被当作模板，许多材料制成其复制品，诸如仿生材料SiC、TiC、Al2O3和SnO2等(WangT,ChangL,ZhuangL,etal.AhierarchicalandsuperhydrophobicZnO/Csurfacederivedfromarice-leaftemplate[J].MonatsheftefürChemie-ChemicalMonthly,2014,145(1):65-69.)，这些材料具有特殊功能的关键因素在于它们保留了生物模板的原有结构。生物模板材料具有结构精密、尺寸均匀、形态多变、环境友好等优点，可用作模板的生物材料包括DNA、多肽、蛋白质、病毒、细菌、藻类、蝴蝶翅膀、木材及树叶等。树叶的多级结构如下：表皮有大量气孔，上下两层表皮细胞之间拥有静脉、筛管、海绵组织、栅栏组织和维管束鞘细胞，在海绵组织和栅栏组织中富含叶绿体，每个叶绿体中有许多类囊体，类囊体由纳米级层状结构形成高比表面积为叶绿素的光合作用提供场所(HanL,YangDP,LiuA.Leaf-templatedsynthesisof3Dhierarchicalporouscobaltoxidenanostructureasdirectelectrochemicalbiosensinginterfacewithenhancedelectrocatalysis.[J].2015,63C:145-152.)。因此树叶具有大小不一乃至纳米级的精细组织，在炭化后能形成多级孔结构，为碳源炭化提供模板。结构精致的仿生多级孔材料具有较大的比表面积和较短的扩散路径（较小的扩散阻力），能为不同尺寸的孔道提供化学反应、界面运输和分散活性位点的场所，被大量引入新型能量储存和转换系统。模板法用来制备与模板剂具有相似结构的多孔材料，模板法基于模板剂的纳米级空间局限性调控材料结构，在其中引入有机聚合物后炭化，模板剂一般采用介孔分子筛如MCM-41(LiuF,YanX,FanF,etal.Applicationofmicro–mesohierarchicalporouscarbonfortolueneadsorptiontreatment[J].IetMicro&NanoLetters,2016,11(7):372-377.)等、碳基材料如氧化石墨烯(KuY,JungIL.PhotocatalyticreductionofCr(VI)inaqueoussolutionsbyUVirradiationwiththepresenceoftitaniumdioxide.[J].WaterResearch,2001,35(1):135-142.)等及纳米级无机物如纳米二氧化硅(TongS,MaoL,ZhangX,etal.SynthesisofMesoporousCarbonsfromBituminousCoalTarPitchUsingCombinedNanosilicaTemplateandKOHActivation[J].Industrial&EngineeringChemistryResearch,2011,50(24):13825-13830.)等与炭化前驱液混合，炭化后用强酸（如氢氟酸）洗去模板剂，得到所需孔径的炭材料。用强酸洗去模板制备成本高，其过程易造成环境污染，也会造成化学药品的残留使得制得的炭材料不纯净。
技术实现思路
本专利技术旨在解决现有技术的不足，树叶模板为活性炭提供基本骨架，不需要强酸洗涤，制得的炭材料也不受化学药品的污染。以树叶为模板制备活性炭材料有简单易得、资源丰富、环境友好、可再生等优点，适用于大规模生产。树叶的热解温度较低，沥青的热解温度高，使树叶在分解过程中保留其原有结构，处于熔融流动态的沥青印刻进入树叶的微观结构，形成具有树叶微观结构的反式结构，同时采用部分水蒸气进行活化，水蒸气与炭发生反应，使炭的内部表面积和孔隙得以发展，水蒸气去除了焦油堵塞的孔产生了大量的微孔和中孔，比表面积增大，进而制备出多级孔炭材料。本专利技术采用的技术方案按如下步骤进行：步骤一、先将新鲜树叶用蒸馏水冲洗、晾干、剪碎，再将剪碎后的树叶与蒸馏水按质量比（0.5~1）:1混合，投入到料理机内，料理机启动30~60min后制得浆状物料，再将浆状物料移入管式炉内，在氮气保护气氛下以0.1~0.9℃/min的升温速率升温至350℃，然后在氮气保护气氛下自然降温至室温，取出炭化产物研磨，用200目筛进行筛选，筛下炭粉即为制得的树叶炭；步骤二、将步骤一中制备的树叶炭与沥青按质量比（1~3）:1混合，再加入助溶剂，在30℃下搅拌8h，制得炭化前驱混合物；步骤三、将步骤二中制备的炭化前驱混合物移入管式炉，在氮气保护气氛下，先以10~20℃/min的升温速率升温至450℃，再恒定管式炉内温度450℃0.5~1.5h；然后再以5~10℃/min的升温速率升温至850℃，再恒定管式炉内温度为850℃，并以2mL/min的速率向管式炉内通入蒸馏水活化1h；最后自然降温至室温，取出炭化产物研磨，制得活性炭粗品；步骤四、用10%（v/v）的盐酸对步骤三中制备的活性炭粗品进行洗涤，过滤，并用蒸馏水冲洗至滤液呈中性，然后在105±3℃鼓风干燥箱内干燥至质量恒定，制得多级孔活性炭；所述制备的多级孔活性炭的孔径主要集中分布在0.4~2.0nm和2.0~20nm，孔径分布曲线呈现明显的双峰，其中微孔百分率14.9~34.9%，中孔百分率65.0~85.0%，大孔百分率0.1~1.0%。所述树叶为阔叶树的树叶，优选为香樟树叶。所述氮气保护气氛的流量为150~300mL/min。所述沥青为重交沥青。所述助溶剂为油酸和乳化剂OP-10按质量比9:1配置得到的混合溶剂，所述助溶剂的加入质量不超过树叶炭和沥青总质量的200%。所述制备的多级孔活性炭比表面积本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以树叶为模板制备多级孔活性炭的方法，其特征在于，具体按以下步骤完成：步骤一、先将新鲜树叶用蒸馏水冲洗、晾干、剪碎，再将剪碎后的树叶与蒸馏水按质量比（0.5~1）:1混合，投入到料理机内，料理机启动30~60 min后制得浆状物料，再将浆状物料移入管式炉内，在氮气保护气氛下以0.1~0.9 ℃/min的升温速率升温至350 ℃，然后在氮气保护气氛下自然降温至室温，取出炭化产物研磨，用200目筛进行筛选，筛下炭粉即为制得的树叶炭；步骤二、将步骤一中制备的树叶炭与沥青按质量比（1~3）:1混合，再加入助溶剂，在30 ℃下搅拌8 h，制得炭化前驱混合物；步骤三、将步骤二中制备的炭化前驱混合物移入管式炉，在氮气保护气氛下，先以10~20 ℃/min的升温速率升温至450 ℃，再恒定管式炉内温度450 ℃ 0.5~1.5 h；然后再以5~10 ℃/min的升温速率升温至850 ℃，再恒定管式炉内温度为850 ℃，并以2 mL/min的速率向管式炉内通入蒸馏水活化1 h；最后自然降温至室温，取出炭化产物研磨，制得活性炭粗品；步骤四、用10%（v/v）的盐酸对步骤三中制备的活性炭粗品进行洗涤，过滤，并用蒸馏水冲洗至滤液呈中性，然后在105±3 ℃鼓风干燥箱内干燥至质量恒定，制得多级孔活性炭；所述制备的多级孔活性炭的孔径主要集中分布在0.4~2.0 nm和2.0~20 nm，孔径分布曲线呈现明显的双峰，其中微孔百分率14.9~34.9%，中孔百分率65.0~85.0%，大孔百分率0.1~1.0%。...

【技术特征摘要】
1.一种以树叶为模板制备多级孔活性炭的方法，其特征在于，具体按以下步骤完成：步骤一、先将新鲜树叶用蒸馏水冲洗、晾干、剪碎，再将剪碎后的树叶与蒸馏水按质量比（0.5~1）:1混合，投入到料理机内，料理机启动30~60min后制得浆状物料，再将浆状物料移入管式炉内，在氮气保护气氛下以0.1~0.9℃/min的升温速率升温至350℃，然后在氮气保护气氛下自然降温至室温，取出炭化产物研磨，用200目筛进行筛选，筛下炭粉即为制得的树叶炭；步骤二、将步骤一中制备的树叶炭与沥青按质量比（1~3）:1混合，再加入助溶剂，在30℃下搅拌8h，制得炭化前驱混合物；步骤三、将步骤二中制备的炭化前驱混合物移入管式炉，在氮气保护气氛下，先以10~20℃/min的升温速率升温至450℃，再恒定管式炉内温度450℃0.5~1.5h；然后再以5~10℃/min的升温速率升温至850℃，再恒定管式炉内温度为850℃，并以2mL/min的速率向管式炉内通入蒸馏水活化1h；最后自然降温至室温，取出炭化产物研磨，制得活性炭粗品；步骤四、用10%（v/v）的盐酸对步骤三中制备的活性炭粗品进行洗涤，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春桃，梅姝婷，童仕唐，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42