一种高纯高电导率类石墨烯分级孔多孔炭及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高纯高电导率类石墨烯分级孔多孔炭及其制备方法，以含碳量高的物质为前躯体，于气氛下，经直接造孔、催化石墨化和/或后处理而得到。本发明专利技术的制备方法为连续加热，步骤衔接紧密，避免常规方法中因步骤衔接差造成的热量损失，易于连续化、规模化生产。所得炭材料不仅拥有高比表面积、孔径可调控等特性，且炭骨架为利于电子传导的类石墨烯结构，可兼顾高传质和高传导的双重特性，拥有良好的热抗振性，较强的机械强度等优势。可应用于高效散热、电极材料及导电剂、催化剂载体等领域。

High purity and high conductivity graphene based hierarchical porous carbon and preparation method thereof

The invention discloses a high-purity and high-conductivity graphene-like porous carbon with graded pores and a preparation method thereof. The carbon-containing substance is used as the precursor and is obtained in an atmosphere by direct pore-forming, catalytic graphitization and/or post-treatment. The preparation method of the invention is continuous heating, the steps are closely connected, the heat loss caused by the difference of the steps in the conventional method is avoided, and the continuous and large-scale production is easy. The obtained carbon materials not only have high specific surface area and adjustable pore size, but also have graphene-like structure which is favorable for electron conduction. The carbon skeleton can take into account the dual characteristics of high mass transfer and high conduction, and has good thermal vibration resistance and strong mechanical strength. It can be applied to the fields of high efficiency heat dissipation, electrode material and conductive agent, catalyst carrier and so on.

【技术实现步骤摘要】
一种高纯高电导率类石墨烯分级孔多孔炭及其制备方法
本专利技术涉及一种高纯高电导率类石墨烯分级孔多孔炭及其制备方法，属于新材料领域。
技术介绍
多孔炭比表面积大、孔结构及界面性质可调控、化学稳定性好等特性，且其导电性可以实现半导体到超导体的变换，被应用于新能源、环境保护、气体分离与储存、药物载体、催化剂载体等领域。但多孔炭的高空隙率和高电子导电率很难统一于同种多孔炭材料上。如孔隙率高的商用活性炭材料电导率约为4us/m，文献中报道的各类多孔炭材料的电导率基本都<100us/m；而高导电率的炭材料石墨烯(1uΩ·m)、碳纳米管，以及石墨电极(5.5-9uΩ·m)、炭纤维(16-900uΩ·m)、预焙阳极(55-60uΩ·m)、自焙阳极(70-80uΩ·m)，和少孔的煅后石油焦(500uΩ·m左右)，基本只含有少量缺陷孔。在特殊领域，如需要便捷的粒子传输路径，又方便电子的快速传递的领域，此类炭材料将无法胜任。炭材料要实现高孔隙率，需要更多的炭被刻蚀成孔，此时炭骨架被削弱。且炭材料随着孔隙率的提高，电子导电性将降低，且多孔类炭材料结构基本为无定型，此结构也不利于电子在炭骨架上的传递。高导电性的炭材料一般孔隙率极低，此时因空缺引起的电子传递路径伸长被削弱。而更高导电率的炭材料基本为石墨结构或类石墨结构，规整的结构便于电子的传递，且二维的片状结构可以构建离域π键，提高电子的传递速率。但此结构的形成需要石墨化或石墨烯化。将多孔炭石墨化，增加骨架的石墨化程度，是一种有效提高电导率的方法。但常规的做法是：先制备多孔炭，后进行石墨化处理，将两个过程人为分开，增加了工艺流程，造成能耗极具增加和操作的复杂性。在《一种以活性炭为原料合成石墨化多孔碳材料的制备方法》(CN103318871A)中，以活性炭为原料，在液态环境下实现多孔炭的分散、催化剂的络合，虽实现较低温度下的石墨化，但溶液体系中操作复杂，难以规模化生产，还存在催化剂难以去除干净等问题。《一种基于纯化石油焦基超级电容器用活性炭提高电导性的方法》(CN106744945A)，以石油焦为原料，化学活化法制备出多孔炭，后进一步提高温度，将高沸点的金属杂质气化后排除，借助“碳化物生成-分解或溶解-再析出”机理，得到高纯度高电导的多孔炭。但此方法需2000℃以上的高温，能耗高，设备要求高，反应工艺的非连续化，造成能耗的浪费。
技术实现思路
本专利技术的目的是应对炭材料在交叉领域应用中表现出的高孔隙率与高电子导电性难兼容的难题，提供一种可规模化生产、兼顾高传质和高传导的双重特性、拥有良好的热抗震性，较强的机械强度等优势的高纯高电导率类石墨烯分级孔多孔炭及其制备方法。借以拓展新型炭材料的应用领域及满足特殊领域对炭材料的要求。本专利技术的技术方案是：一种高纯高电导率类石墨烯分级孔多孔炭，以高含碳量的物质为前躯体，经直接造孔、催化石墨化和/或后处理后，得到多孔炭。一种高纯高电导率类石墨烯分级孔多孔炭的制备方法，以高含碳量的物质为前躯体，加入造孔剂和催化剂，经直接造孔、催化石墨化和/或后处理后，清洗至中性，干燥，得到多孔炭。高含碳量的物质为石油焦、沥青焦、煤焦、聚氯乙烯基炭、中间相炭微球、炭纤维中的一种或几种。造孔剂与前驱体的摩尔比为(0.01-15)：1；造孔剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氧化钾、氧化钠、氧化锌、钾盐、钠盐、锌盐、H2O、CO2中的一种或几种。直接造孔的条件为：在A气氛下，升温至300-950℃，保温0.01-10h，升温速率为0.1-50℃/min；A气氛为氩气、氮气、氦气、真空中的一种或几种。催化剂与前躯体的摩尔比为(0.01-10)：1；催化剂为氯化铁、氧化铁、硝酸铁、氯化镍、氧化镍、硝酸镍、碳酸镍、氯化钴、氧化钴、硝酸钴、碳酸钴中的一种或几种。催化石墨化的条件为：在B气氛下，升温至950-1800℃，保温0-12h，升温速率为0.1-50℃/min；B气氛为氩气、氮气、氦气、氯气、气态四氯化硅中的一种或几种。后处理为气氛加热、溶液反应中的一种或两种。气氛加热的方法为：在C气氛下，950-1800℃保温1-3h；C气氛为氩气、氮气、氦气、氯气、气态四氯化硅中的一种或几种。溶液反应的方法为：酸洗或碱洗，或酸碱交替浸洗中的一种。本专利技术的有益效果：本专利技术方法以高含碳量材料为前躯体，同一反应器中实现造孔与石墨化，缩短了工艺流程，同时催化剂的使用可降低石墨化温度，构造出利于杂质移除机制。本专利技术的制备方法为连续加热，步骤衔接紧密，避免常规方法中因步骤衔接差造成的热量损失，易于连续化、规模化生产。本专利技术的方法能够有效提高炭材料的孔隙率、导电性和纯度，是一种简单、高效的兼顾高孔隙率和高电导率的多孔炭制备方法。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术的具体实施方式作进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本专利技术对各种可能的组合方式不再另行说明。以下实施实例旨在说明本专利技术，而不是对本专利技术的进一步限定，本专利技术可以按
技术实现思路
所述的任一方式实施。实施例1将石油焦、氢氧化钾、硝酸铁按摩尔比1：3：0.05混合，放入镍坩埚中，然后置于高温气氛炉中，通入200ccm的氮气，并以2℃/min升温至850℃保温1h，后增加30ccm的氯气，以5℃/min升温至1350℃，并保温4h，停止通入氯气(继续通入氮气)，并自然降至室温，将所得产物浸入0.05M的HCl溶液中1h，后取出并用去离子水清洗至中性，80℃烘箱中烘8h，得到灰分含量为0.06％、电导率为10S/cm、比表面积为1370m2/g的类石墨烯分级孔多孔炭。实施例2将沥青焦、氧化钠、氯化镍按摩尔比1：3：0.02混合，放入镍坩埚中，然后置于高温气氛炉中，通入600ccm的氮气，并以2℃/min升温至750℃保温2h，后增加60ccm的氯气，以5℃/min升温至1550℃，并保温2h，停止通入氯气(继续通入氮气)，并自然降至室温，将所得产物浸入0.1M的HCl溶液中0.5h，后取出并用去离子水清洗至中性，100℃真空干燥箱中4h，得到灰分含量为0.09％、弗兰克林P值为0.404、比表面积为1150m2/g的类石墨烯分级孔多孔炭。实施例3将煤焦、氯化镍按摩尔比1：0.02混合，放入镍坩埚中，然后置于高温气氛炉中，通入600ccm的氮气和45ccm的CO2，并以10℃/min升温至700℃保温5h，后停止通入CO2，增加20ccm的氯气，以10℃/min升温至1650℃，并保温2h，停止通入氯气(继续通入氮气)，并自然降至室温，将所得产物浸入0.5M的HNO3溶液中0.5h，后取出并用去离子水清洗至中性，100℃真空干燥箱中2h，得到灰分含量为0.045％、弗兰克林P值为0.37、比表面积为850m2/g的类石墨烯分级孔多孔炭。实施例4将石油焦、氯化锌、硝酸铁按摩尔比1：5：0.01混合，放入镍坩埚中，然后置于高温气氛炉中，通入60ccm的氮气，并以2℃/min升温至950℃保温0.5h，后增加30ccm的氯气，以5℃/min升温至1800℃，并保温4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高纯高电导率类石墨烯分级孔多孔炭，其特征在于，以高含碳量的物质为前躯体，经直接造孔、催化石墨化和/或后处理后，得到多孔炭。

【技术特征摘要】
1.一种高纯高电导率类石墨烯分级孔多孔炭，其特征在于，以高含碳量的物质为前躯体，经直接造孔、催化石墨化和/或后处理后，得到多孔炭。2.一种如权利要求1所述的高纯高电导率类石墨烯分级孔多孔炭的制备方法，其特征在于，以高含碳量的物质为前躯体，加入造孔剂和催化剂，经直接造孔、催化石墨化和/或后处理后，清洗至中性，干燥，得到多孔炭。3.根据权利要求2所述的高纯高电导率类石墨烯分级孔多孔炭的制备方法，其特征在于，高含碳量的物质为石油焦、沥青焦、煤焦、聚氯乙烯基炭、中间相炭微球、炭纤维中的一种或几种。4.根据权利要求2所述的高纯高电导率类石墨烯分级孔多孔炭的制备方法，其特征在于，造孔剂与前驱体的摩尔比为(0.01-15)：1；造孔剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氧化钾、氧化钠、氧化锌、钾盐、钠盐、锌盐、H2O、CO2中的一种或几种。5.根据权利要求2所述的高纯高电导率类石墨烯分级孔多孔炭的制备方法，其特征在于，直接造孔的条件为：在A气氛下，升温至300-950℃，保温0.01-10h，升温速率为0.1-50℃/min；A气氛为氩气、氮气、氦气、真空中的一种或...

【专利技术属性】
技术研发人员：高彪峰，谷保祥，张继伟，陈锋，刘碧波，刘帅霞，陈晓阳，孙哲，邓元鑫，
申请(专利权)人：河南工程学院，
类型：发明
国别省市：河南,41