生产多孔碳制品的方法及由其生产的制品技术

本发明专利技术涉及一种生产多孔碳制品的方法，包括形成具有传递孔隙的半成品及通过热化学处理在所述半成品中形成纳米孔的步骤。按照本发明专利技术将该半成品制成为一种含碳硬骨架，其结构内含有一种或数种碳化物颗粒，经选择和排列使该制品容积内形成预定纳米孔径、纳米孔容及纳米孔分布。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种生产多孔碳制品的方法，包括形成具有传递孔隙的半成品及通过热化学处理在所述半成品中形成纳米孔的步骤。本专利技术也涉及用所述方法生产的制品。
技术介绍
从Breslavets，K.S等人著“冷冻吸附泵∥碳吸附剂中的管式制品及其工业应用”一书中(莫斯科，科学出版社，1983，p243)，得悉一种生产多孔碳制品的方法。该方法包括对一种由碳化硅粉末及作为粘结剂的工业合成树脂所组成的膏状物进行成形或挤出生产所需制品的步骤。在此情况下，材料结构中形成传递孔，其孔径在100nm以上。然后在惰性介质中加以碳化，增强该制品，并使之结构更为均匀。再将制品在900至1000℃下用氯进行热化学处理，使碳化物转变为碳。在此步骤中，在制品容积中形成了孔径小于10nm的纳米多孔结构。采用聚合树脂作为粘结剂，对达到高的机械强度有防碍，因为碳化树脂机械强度低。树脂破坏过程伴随着生成碳的过程，这种碳也参与到纳米孔隙形成过程中，但所形成的孔隙尺寸实际上是不可控制的。因而不可能用已知方法生产预定吸附性能的材料。用已知方法生产的制品是一种与树脂碳化产物粘结一起的碳材料，其孔隙率为65％至75％的。在这种情况下，一部分孔隙(30％至32％)属于传递孔，其孔径大于100nm，而其它孔的孔径在10nm以下。用已知方法得到的制品，由于不可能控制其孔径，也不能控制传递孔隙及纳米孔隙二者的容积含量，应用受到了限制。已知具有高纳米孔隙率的许多所谓活性炭，但这些材料的孔径分布非常宽，而且也是未加控制的，参阅“碳”一书(John Wiley & Son出版社，纽约，1988，USA)。的方法。这两种孔是孔径小于10nm的具有吸附性能的孔和孔径大于100nm能将组分输送至参与吸附的孔。按照这种方法生产的制品可用于与医药技术中吸附及吸收过程相关的不同工艺领域，诸如从液体或气体中选择吸附某个组分，电化学电极等。本专利技术目的在于使生产整个制品容积中具有传递孔隙率和预定纳米孔径、孔容及孔分布的多孔碳制品成为可能。专利技术概述采用包括构成一种具有传递孔隙的半成品和通过热化学处理在所述半成品中形成纳米孔的步骤，生产多孔碳制品的方法，本专利技术的目的是可以达到的，该方法特征在于制成一种含刚性的碳骨架的半成品，其结构内含一种或数种碳化物颗粒，并经选择和排列使该制品容积内形成预定纳米孔径、纳米孔容及纳米孔分布。采用这种方法，可以生产出具有可控及预定的纳米孔，传递孔和纳米孔之间容积比最佳，以及机械强度高和形状复杂的材料。在一组优选实施方案中，选择了门捷列夫周期表中III、IV、V或VI族元素的碳化物作为碳前体。对用于形成具有所设想的似狭孔状(slot-like)结构碳的碳化物，根据所指定的纳米孔径与该碳化物的物理化学常数间的关系来选择该碳化物X＝Z·(1-R)/R式中X＝所指定的纳米孔径，nm；Z＝0.65-0.75nm；R＝υMcρk/Mkρc式中Mc碳的分子量，克/摩尔；Mk-碳化物的分子量，克/摩尔；ρk-碳化物的密度，克/立方厘米；ρc-碳的密度，克/立方厘米；υ -碳化物分子中碳原子数。碳化物颗粒混合物的配方按照所需纳米孔径分布采用以下的关系式加以选择 式中ψi-纳米孔总容积中孔尺寸Xi的纳米孔容积份数；i-在颗粒混合物中第i种碳化物的容积份数；n-碳化物数目；Ki＝1-υMcρki/Mkiρc式中Mc-碳的分子量，克/摩尔；Mki-第i种碳化物的分子量，克/摩尔；ρki-第i种碳化物的密度，克/立方厘米；ρc-碳的密度，克/立方厘米υ -碳化物分子中碳原子数。该成形步骤包括成形一种或数种碳化物颗粒的中间体，然后在气态烃或烃混合物的介质中于温度超过该烃或烃类的分解温度下处理这种中间体，直至该中间体的质量增加至少3％为止，和形成中间体的孔隙率达30-70％(体)，优选35-50％(体)。此外，该中间体形成具有用下述公式确定的孔隙率 ε0-中间体容积率(体)％；i-颗粒混合物中第i种碳化物容积份数；υnp-最终制品中的纳米孔预定容积份数。Ki＝1-υMcρki/Mkiρc式中Mc为碳的分子量，克/摩尔；Mki-第i种碳化物的分子量，克/摩尔；ρki-第i种碳化物的密度，克/立方厘米；ρc-碳的密度，克/立方厘米；υ-碳化物分子中碳原子数，在气态烃或烃类介质中的处理过程一直进行到该中间体的质量按照下述关系式变化Δm＝Q(ε0-vtr)/(1-ε0)式中Δm-中间体质量相对变化，克/克； ε0-中间体的孔隙率，(体)％；vtr-传递孔预定容积量，(体)％；Q＝ρc/ρmix式中ρc-碳的密度，克/立方厘米ρmix-碳化物混合物的密度，克/立方厘米。中间体可压制成形。当然其它众所周知的成型方法，诸如滑移浇铸、带条浇铸、浆液浇铸、注塑等均可使用。天然气可用作烃类混合物，烃介质中的处理在750至950℃下进行。另一方面，用于在烃介质中进行中间体处理的烃至少有一种选自乙炔、甲烷、乙烷、丙烷、戊烷、己烷、苯及它们的衍生物，而且烃介质中的处理是在550至1200℃下进行。热化学处理是于350至1200℃下在气态卤素介质中进行，并产生挥发性卤化物，诸如氯化物。形成中间体的碳化物颗粒或碳化物在其整个容积内排列是均匀或不均匀的。本专利技术也涉及一种多孔碳制品，具有纳米孔和传递孔，其特征在于传递孔容积为10-55％，而纳米孔容积为15-50％。纳米孔径在0.6-3.5纳米的范围，在整个制品的容积内纳米孔是均匀或不均匀分布的。下述术语是当前使用的-孔径大于100nm的孔隙-为传递孔隙，或大孔隙；-孔径小于10nm的孔隙-为纳米孔隙。这些术语用于这里是要揭示本专利技术的基本专利技术点。附图简述本专利技术将参照以下附图加以描述附图说明图1表示实施例1至3生产的材料性质表。图2-4说明实施例1-3中样品的孔隙率数据。本专利技术优选实施方案描述按照本专利技术的方法包括以下步骤1)用门捷列夫周期表中III、IV、V及VI族元素的某一碳化物或若干碳化物的颗粒，形成刚性碳质骨架的传递孔隙半成品，其骨架结构内含选自所述族的某一碳化物或几种碳化物的颗粒，并按预定的顺序排列，以便在此后的步骤中在整个制品容积内形成具备所希望的孔径、孔容及孔分布的传递孔隙及纳米孔隙；2)在升高温度350至1200℃的范围内，优选500-1100℃的范围内，用诸如氯的气态卤素对所述半成品进行热化学处理，使步骤1中所得的半成品在整个容积内形成纳米孔隙；目前对碳材料结构的说明，指出了在热化学处理过程中产生的纳米孔是通过使碳的石墨面有序或无序化而形成的，为简单起见，可考虑将其成形为狭孔，其宽度取决于所用形成具有传递孔隙半成品的碳化物类型。这些理论的设想是与实验数据很一致的，使得本专利技术人可以发现下述具有这样结构的碳材料的关系式X＝Z·(1-R)/R - - - - - - (1)式中X为预定的纳米孔径，nm；Z-按选自门捷列夫周期表中III、IV、V及VI族元素的若干碳化物结构所确定的实验因子，为0.65-0.75nm；R＝υMcρk/Mkρc式中Mc-碳的分子量，克/摩尔；Mk-碳化物的分子量，克/摩尔；ρk-碳化物的密度，克/立方厘米；ρc-碳的密度，克/立方厘米υ -碳化物分子中碳原子数。通过一系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生产多孔碳制品的方法，包括形成具有传递孔隙的半成品和采用热化学处理的方法在所述半成品中形成纳米孔隙，其特征在于使该半成品形成含碳硬骨架，其结构中含有一种或数种碳化物的颗粒，经选择及排列使之在整个制品容积内形成预定的纳米孔径及预定纳米孔容和预定纳米孔分布。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：瑟吉K戈德伊夫，罗伯特G阿瓦尔布茨，阿列克山德罗E克拉夫特吉克，瓦西利吉V索科洛夫，塔特加娜V马扎埃娃，阿拉格雷钦斯卡娅，
申请(专利权)人：弗伦顿有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]