一种碳材料的合成方法技术

本发明专利技术提供一种碳材料的合成方法，所述碳材料组成成分为无定形碳元素，具有两级孔道；所述碳材料合成方法首先将碳酸钙与碱液混合搅拌处理，然后将过滤热处理得到的碳酸钙与水和糖类物质混合，搅拌并超声波处理后将溶液干燥，然后置于氮气气氛中碳化处理，最后将得到的物质与酸溶液混合处理，经过洗涤干燥得到碳材料。本发明专利技术方法不使用昂贵的有机添加物，操作步骤简单易行，生产成本低廉。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于多孔无机材料合成领域，具体地说是一种碳材料的合成方法。
技术介绍
根据国际纯粹与应用化学联合会的分类，多孔材料可分为三大类：大孔材料（直接＞50nm）、介孔材料（２nm≤直接≤50nm）和微孔材料（直接＜2nm）。由于微孔材料和介孔材料在工业催化与分离等领域得到成功地应用，所以一直是研究和应用的热点。近年来，随着大孔材料在大分子催化、分离等领域弥补了以往小孔分子筛及介孔材料难以允许大分子进入孔道内部的缺点，以及其它一些物化特征所体现出的优势，逐渐吸引的研究者的目光，成为研究的热门领域。“利用SiO2欧泊制备高比表面积三维有序大孔碳”（南京航空航天大学学报，2005，37（5）:593-593）采用胶晶模板法制备三维有序大孔碳，制备步骤是：(1)先采用Stobber方法合成单分散SiO2胶体微球，再经过离心洗涤，乙醇分散，在常温常压下静置10～30天，将SiO2微球在重力作用下自组装成有序欧泊结构，然后在120℃下干燥12h。(2)再用蔗糖填充模板的空隙，以及重复碳化的过程，制备出大孔碳材料。“双模板法合成介孔/大孔二级孔道碳材”（物理化学学报，2007，23(5):757-760）采用胶晶模板法制备介孔/大孔二级孔道碳材料，其合成方法是：先按照Stober法制得接近单分散的二氧化硅球，并在重力作用下自组装而形成模板；再制备酚醛树脂低聚物溶解，并将其与乙醇，PluronicF127等有机物混合，然后浸入二氧化硅模板中，室温放置至溶液变干；然后将酚醛树脂完全聚合，在氮气保护气氛下碳化，并用氢氟酸除去二氧化硅后即得到介孔/大孔二级孔道碳材料，碳材料的大孔直径约为230nm，介孔直径约为10nm。CN102295281A，一种以空心介孔硅球为模板制备分级多孔碳的方法，将酚醛树脂乙醇溶液浸渍到空心介孔硅球的介孔孔道中，然后将酚醛树脂初步固化、深固化、碳化和脱除模板，最终制备了具有大孔、介孔、微孔的分级多孔碳。其中模板为空心介孔硅球，空心介孔硅球具有空心核和介孔壁，空心核孔径是300-800nm，介孔壁约25-60nm。制备的分级多孔碳的孔径为300-800nm，壁厚为25-60nm。CN103482597A，一种中大孔炭的合成方法，将树脂与固化剂混合、加热固化；再将固化料粉碎后与造孔剂和支撑剂混合，充分混合后压制成预制体，再高温碳化，制备中大孔炭，其大孔孔径在50nm-10μm。其中造孔剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚酞亚胺树脂，作用是制造大孔，孔径可以改变含碳材料与造孔剂比例，以及温度、压制压力和材料比例来调节；支撑剂为石墨粉、活性炭粉、活性炭纤维、纳米碳管或石墨纤维，作用是一定程度上阻止碳化过程中的基体收缩，使多孔炭的孔隙结构趋于稳定和加大孔径。现有大孔材料，尤其是大孔碳的制备方法虽然已有很多公开报道，但仍有一些缺陷需要克服，比如胶晶模板法的模板组装耗时过长，制备成本高，难以工业化生产；有些技术得到的大孔材料的大孔比例以及含量过低，大孔孔径一般大于200nm，孔径过大应用价值较低，孔径范围在100～200nm具有高应用价值的大孔难以制备。因此，研究新型的，尤其是廉价高效的大孔碳的制备方法就具有十分现实的意义。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种碳材料的合成方法，本专利技术提供的碳材料具有丰富的孔结构，合成方法简单易行，生产成本低。本专利技术提供一种碳材料，所述碳材料具有如下特征：组成成分为无定形碳元素，具有两级孔道，其中第一级孔道的孔径为20～40nm，第二级孔道的孔径为100～200nm；总比表面积为500～1000m2/g。本专利技术所述碳材料的合成方法，包括以下步骤：（1）将碳酸钙与碱液混合，在50～90℃下搅拌处理，然后过滤，过滤得到的固体物质在300～500℃下热处理1～3h；（2）将经步骤（1）处理后的碳酸钙与水和糖类物质混合，搅拌10～60min，然后超声波处理1～10h；（3）将步骤（2）得到的溶液在50～100℃下搅拌，直至溶液变为粘稠状态，然后在50～80℃下干燥；（4）将步骤（3）得到的固体物质在氮气气氛下碳化，所述碳化处理分两段进行，首先升温至300～450℃，恒温处理1～3h；再升温至800～1000℃碳化处理4～8h；（5）将步骤（4）得到的物质与酸溶液混合均匀，在50～200℃下处理1～10h，然后经过洗涤干燥得到碳材料。本专利技术碳材料合成方法中，步骤（1）中所述碳酸钙为纳米碳酸钙，所述纳米碳酸钙的粒径为30～50nm。本专利技术碳材料合成方法中，步骤（1）中所述碱液为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种，所述碱液浓度为0.01～0.1mol/L，碳酸钙与碱液的质量比为1：5～1：50，优选1：10～1：20。本专利技术碳材料合成方法中，步骤（2）中所述糖类物质为蔗糖、葡萄糖中的一种或两种，碳酸钙、糖类物质、水的质量比为0.1～2：1：10～33，优选为0.2～1：1：13～26。本专利技术碳材料合成方法中，步骤（4）中所述的碳化处理在氮气气氛中进行，氮气流速为10～50mL/min，优选为15～40mL/min。本专利技术碳材料合成方法中，步骤（4）中所述碳化处理的升温速率为1～3℃/min，以恒定的升温速率升温。本专利技术碳材料合成方法中，步骤（5）中所述的酸溶液为盐酸或硝酸，酸溶液的质量浓度为20～60%。本专利技术碳材料合成方法中，步骤（5）中所述的酸处理条件为在100～180℃下处理2～7h。本专利技术碳材料合成方法中，步骤（5）中所述洗涤为用蒸馏水洗涤，所述干燥为在100～140℃下干燥5～15h。本专利技术提供的大孔碳具有丰富的大孔，可用作催化剂载体，吸附剂，色谱柱填料，也可用作无机有机材料的合成模版。与现有技术相比较，本专利技术提供的大孔碳材料及其合成方法具有以下优点：（1）本专利技术方法中，以经碱液处理和热处理的碳酸钙作为硬模板，可以得到所需要的多级孔道碳材料，采用本专利技术方法预处理碳酸钙，可以使碳酸钙的表面电性质发生变化，促使一部分单分散形态的碳酸钙发生聚集，使数个碳酸钙粒子聚集形成微型聚集状态，以便于形成大孔孔道所需的模板；而其余的碳酸钙仍保持单分散状态，可以作为中等孔道所需的模板。再通过控制物料的比例，超声，干燥来调节糖类物质与碳酸钙的作用，以及分段碳化可以精确地形成具有模板尺寸特征的两级孔道体系。本专利技术大孔碳的制备方法简单易行，最主要的特征是不使用昂贵有毒的有机模板剂或添加剂，成本低。（2）本专利技术方法中，通过控制各种物料的比例，超声，搅拌，焙烧等操作步骤，来控制碳酸钙粒子（包括单分散和微型聚集态）的分散状态。尤其是步骤（3）中所述制备方法，是在加热条件下搅拌，首先将溶液中的水分缓慢蒸发，直至溶液变为粘稠状态，然后再进行干燥处理，是一种动态干燥和静态干燥的组合。这种干燥方式可以使糖类与聚集态和单分散态的碳酸钙粒子始终处于均匀混合状态，避免了糖类与碳酸钙由于密度差异发生相分离，导致糖类无法有效地包裹碳酸钙，进而导致制备出的碳材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳材料的合成方法，所述碳材料组成成分为无定形碳元素，具有两级孔道，其中第一级孔道的孔径为 20～40nm，第二级孔道的孔径为100～200nm，总比表面积为500～1000m2/g；所述合成方法包括以下步骤：（1）将碳酸钙与碱液混合，在50～90℃下搅拌处理，然后过滤，过滤得到的固体物质在300～500℃下热处理1～3h；（2）将经步骤（1）处理后的碳酸钙与水和糖类物质混合，搅拌10～60min，然后超声波处理1～10h；（3）将步骤（2）得到的溶液在50～100℃下搅拌，直至溶液变为粘稠状态，然后在50～80℃下干燥；（4）将步骤（3）得到的固体物质在氮气气氛下碳化处理，所述碳化处理分两段进行，首先升温至300～450℃，恒温处理1～3h；再升温至800～1000℃碳化处理4～8h；（5）将步骤（4）得到的物质与酸溶液混合均匀，在50～200℃下处理1～10h，然后经过洗涤干燥得到碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种碳材料的合成方法，所述碳材料组成成分为无定形碳元素，具有两级孔道，其中第一级孔道的孔径为20～40nm，第二级孔道的孔径为100～200nm，总比表面积为500～1000m2/g；所述合成方法包括以下步骤：
（1）将碳酸钙与碱液混合，在50～90℃下搅拌处理，然后过滤，过滤得到的固体物质在300～500℃下热处理1～3h；
（2）将经步骤（1）处理后的碳酸钙与水和糖类物质混合，搅拌10～60min，然后超声波处理1～10h；
（3）将步骤（2）得到的溶液在50～100℃下搅拌，直至溶液变为粘稠状态，然后在50～80℃下干燥；
（4）将步骤（3）得到的固体物质在氮气气氛下碳化处理，所述碳化处理分两段进行，首先升温至300～450℃，恒温处理1～3h；再升温至800～1000℃碳化处理4～8h；
（5）将步骤（4）得到的物质与酸溶液混合均匀，在50～200℃下处理1～10h，然后经过洗涤干燥得到碳材料。
2.按照权利要求1所述的合成方法，其特征在于：步骤（1）中所述碳酸钙为纳米碳酸钙。
3.按照权利要求2所述的合成方法，其特征在于：步骤（1）中所述碳酸钙的粒径为30～50nm。
4.按照权利要求1所述的合成方法，其特征在于：步骤（1）中所述碱液为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种。
5.按照权利要求4所述的合成方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：范峰，凌凤香，王少军，张会成，陈晓刚，杨春雁，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司大连石油化工研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11