一种低共熔离子液作为造孔剂制备多孔碳的方法技术

本发明专利技术一种低共熔离子液作为造孔剂制备多孔碳的方法，采用氯化锌、尿素两种原料制备的低共熔离子液作为造孔剂，以苯酚（P）、甲醛（F）、氢氧化钠（NaOH）为原料制备酚醛树脂预聚体，在一定的条件下获得酚醛树脂凝胶，碳化得到多孔碳，制备出的多孔碳的孔径主要在0~10nm之间，属于微孔和中孔区域。本发明专利技术提供的低共熔离子液作为造孔剂制备多孔碳的方法，借助氯化锌/尿素低共熔离子液高温下易分解的特征，将碳化和活化造孔合二为一，原料价格低廉，既可简化制备工艺，又可减轻环境污染，降低能源消耗，且氯化锌/尿素低共熔离子液分子体积小，分散于酚醛树脂凝胶中时，酚醛树脂凝胶碳化后得到的多孔碳的微孔和中孔都有显著增加。

A method for preparing porous carbon using low eutectic ionic liquid as pore-forming agent

【技术实现步骤摘要】
一种低共熔离子液作为造孔剂制备多孔碳的方法
本专利技术涉及碳材料工业应用
，具体涉及一种低共熔离子液作为造孔剂制备多孔碳的方法。
技术介绍
多孔碳材料不但具有较强的吸附能力，而且具有耐酸、耐碱、良好的导电性、耐热性、耐高温性等一系列优良性能，是近几年发展得最快的新兴材料之一，广泛应用于化工、环保、分离及国防等各个领域。多孔碳材料的大部分原料来源于天然原料，如木材、植物果实壳、石油、煤等。但使用天然原料生产出的多孔碳，存在杂质较多、孔径分布不集中且不易控制等问题，无法满足人们对多孔碳的功能化需求。酚醛树脂具有生产工艺成熟、碳化收率高、杂质含量低、易于形成三维立体结构、易于活化成孔等优点，因此成为了多孔碳的新来源之一。目前，多孔碳的制备方法主要有活化法、模板剂法等，而这些方法均存在一定的问题，如活化法，虽然其工艺相对成熟且获得的多孔碳孔隙丰富，但是往往在活化过程中需要反复多次进行活化造孔，且所用的造孔剂大多是强酸、强碱或者有毒物质，对设备腐蚀性较强并对环境造成污染；模板剂法具有能耗较低、形成的孔规则整齐等优点，但却存在模板剂成本高的问题。因此，寻找到一种生产成本低且环境污染小的多孔碳制备工艺，提高多孔碳的功能性应用，成为近年来科学家广泛关注的热点问题之一。低共熔离子液体作为一种特殊的离子液体，是由2种或3种组分在一定温度下经简单机械混合，以氢键相互作用而自缔合形成的一种共熔盐，既具有热解温度低，分子可设计的特性，同时也具备成本低、制备简单、毒性低等优点，是一种新型的绿色溶剂。但是其在作为造孔剂制备多孔碳的方面尚无应用。
技术实现思路
为解决现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种低共熔离子液作为造孔剂制备多孔碳的方法，绿色环保，制备过程简便，能耗低，时间短。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种低共熔离子液作为造孔剂制备多孔碳的方法，包括以下步骤：步骤（1）、造孔剂的制备：将氯化锌和尿素按一定摩尔比混合置于反应容器中，在温度80℃~100℃的条件下搅拌直至反应液全部变为无色透明液体，即得到低共熔离子液造孔剂，其中，氯化锌和尿素的摩尔比为（2~4）：10；步骤（2）、酚醛树脂预聚体的合成：将苯酚（P）、甲醛（F）、氢氧化钠（NaOH）按一定的摩尔比混合，从室温加热至50℃~60℃并保温40~50min，继续升温至80℃~90℃并保温30~40min，冷却后得到的树脂即为酚醛树脂预聚体，其中，甲醛和苯酚的摩尔比F/P为1.5~2.5，苯酚和氢氧化钠的摩尔比P/NaOH为14~16；步骤（3）、酚醛树脂凝胶的形成：将步骤（1）得到的造孔剂与步骤（2）得到的酚醛树脂预聚体在45℃~60℃下混合搅拌5~15min，得到均匀的混合物，将该混合物在30℃~45℃下保温1~2h后，再在60℃~70℃下保温20~28h，最后在90℃~100℃下保温4~8h，用去离子水清洗表面并干燥后即得到酚醛树脂凝胶，其中造孔剂的质量占混合物质量的10~40%；步骤（4）、多孔碳的制备：将步骤（3）得到的酚醛树脂凝胶在一定的碳化条件下碳化后，将得到的产物粉碎、用盐酸浸泡，再用蒸馏水洗涤、抽滤、干燥后获得多孔碳。进一步的，步骤（4）中，碳化条件为在氮气流速为80~200cm3•min-1的气氛下，以5~10℃•min-1的升温速率将样品从室温升至700℃~900℃，并保温2~5h；进一步的，步骤（4）中，用于浸泡的盐酸浓度为1~2mol•L-1，浸泡时间为3~6h。进一步的，所述多孔碳的孔径为0~10nm。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术公开了一种低共熔离子液作为造孔剂制备多孔碳的方法，采用氯化锌、尿素两种原料制备的低共熔离子液作为造孔剂，以苯酚（P）、甲醛（F）、氢氧化钠（NaOH）为原料制备酚醛树脂预聚体，在一定的条件下获得酚醛树脂凝胶，碳化得到多孔碳，本专利技术制备出的多孔碳的孔径主要在0~10nm之间，介于微孔和中孔的孔径范围内。本专利技术提供的低共熔离子液作为造孔剂制备多孔碳的方法，借助氯化锌/尿素低共熔离子液高温下易分解的特征，将碳化和活化造孔合二为一，原料价格低廉，既可简化制备工艺，又可减轻环境污染，降低能源消耗，且氯化锌/尿素低共熔离子液分子体积小，分散于酚醛树脂凝胶中时，酚醛树脂凝胶碳化后得到的多孔碳的微孔和中孔都有显著增加。附图说明图1是本专利技术的对比实例1与实施例1-4的N2吸附-脱附曲线图；图2是本专利技术的对比实例1与实施例1-4的孔径分布图；图3是本专利技术的对比实例1的孔径分布图；图4是本专利技术的实施例1的孔径分布图；图5是本专利技术的实施例2的孔径分布图；图6是本专利技术的实施例3的孔径分布图；图7是本专利技术的实施例4的孔径分布图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作更进一步的说明。解释说明：根据国际理论和应用化学会（IUPAC）的分类，即孔径为0~2nm称为微孔，孔径为2~50nm称为中孔（或介孔），孔径为50nm以上称为大孔。孔径为0~10nm介于微孔和中孔之间。实施例1一种低共熔离子液作为造孔剂制备多孔碳的方法，包括以下步骤：步骤（1）、造孔剂的制备：将氯化锌和尿素按摩尔比为3：10混合均匀后置于反应容器中，在100℃温度条件下搅拌直至反应液全部变为无色透明液体，即得到低共熔离子液造孔剂；步骤（2）、酚醛树脂预聚体的合成：将94g苯酚、162g37%的甲醛溶液与5.25g质量浓度为50%的NaOH溶液混合，从室温加热至60℃并保温40min，继续升温至90℃并保温30min，冷却后即为酚醛树脂预聚体，装瓶备用；步骤（3）、酚醛树脂凝胶的形成：将步骤（1）得到的造孔剂与步骤（2）得到的酚醛树脂预聚体在60℃下混合搅拌10min，得到均匀的混合物，将该混合物在45℃下保温1h后，再在60℃下保温24h，最后在90℃下保温5h，用去离子水清洗表面并干燥后即得到酚醛树脂凝胶，其中造孔剂的质量占混合物质量的10%；步骤（4）、多孔碳的制备：将步骤（3）得到的酚醛树脂凝胶在一定的碳化条件下碳化后，将得到的产物粉碎、用盐酸浸泡，再用蒸馏水洗涤、抽滤、干燥后获得多孔碳。其中，步骤（4）中，碳化条件为在氮气流速为200cm3•min-1的气氛下，以5℃•min-1的升温速率将样品从室温升至800℃，并保温3h，用于浸泡的盐酸浓度为2mol•L-1，浸泡时间为3h。实施例2一种低共熔离子液作为造孔剂制备多孔碳的方法，包括以下步骤：步骤（1）、造孔剂的制备：将氯化锌和尿素按摩尔比为3：10混合均匀后置于反应容器中，在100℃温度条件下搅拌直至反应液全部变为无色透明液体，即得到低共熔离子液造孔剂；步骤（2）、酚醛树脂预聚体的合成：将94g苯酚、162g37%的甲醛溶液与5.25g质量浓度为50%的NaOH溶液混合，从室温加热至60℃并保温40min，继续升温至90℃并保温30min，冷却后即为酚醛树脂预聚体，装瓶备用；步骤（3）、酚醛树脂凝胶的形成：将步骤（1）得到的造孔剂与步骤（2）得到的酚醛树脂预聚体在60℃下混合搅拌10min，得到均匀的混合物，将该混合物在45℃下保温1h后，再在60℃下保温24h，最后在90℃下保温5h，用去离子水清洗表面并干燥后即得到酚醛树脂凝胶，其中造孔剂的质量占混合物质量的20%；步骤（4）、多孔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低共熔离子液作为造孔剂制备多孔碳的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤（1）、造孔剂的制备：将氯化锌和尿素按一定摩尔比混合置于反应容器中，在温度80℃~100℃的条件下搅拌直至反应液全部变为无色透明液体，即得到低共熔离子液造孔剂；步骤（2）、酚醛树脂预聚体的合成：将苯酚、甲醛、氢氧化钠按一定的摩尔比混合，从室温加热至50℃~60℃并保温40~50min，继续升温至80℃~90℃并保温30~40min，冷却后得到的树脂即为酚醛树脂预聚体；步骤（3）、酚醛树脂凝胶的形成：将步骤（1）得到的造孔剂与步骤（2）得到的酚醛树脂预聚体在45℃~60℃下混合搅拌5~15min，得到均匀的混合物，将该混合物在30℃~45℃下保温1~2h后，再在60℃~70℃下保温20~28h，最后在90℃~100℃下保温4~8h，用去离子水清洗表面并干燥后即得到酚醛树脂凝胶，其中造孔剂的质量占混合物质量的10~40%；步骤（4）、多孔碳的制备：将步骤（3）得到的酚醛树脂凝胶在一定的碳化条件下碳化后，将得到的产物粉碎、用盐酸浸泡，再用蒸馏水洗涤、抽滤、干燥后获得多孔碳。

【技术特征摘要】
1.一种低共熔离子液作为造孔剂制备多孔碳的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤（1）、造孔剂的制备：将氯化锌和尿素按一定摩尔比混合置于反应容器中，在温度80℃~100℃的条件下搅拌直至反应液全部变为无色透明液体，即得到低共熔离子液造孔剂；步骤（2）、酚醛树脂预聚体的合成：将苯酚、甲醛、氢氧化钠按一定的摩尔比混合，从室温加热至50℃~60℃并保温40~50min，继续升温至80℃~90℃并保温30~40min，冷却后得到的树脂即为酚醛树脂预聚体；步骤（3）、酚醛树脂凝胶的形成：将步骤（1）得到的造孔剂与步骤（2）得到的酚醛树脂预聚体在45℃~60℃下混合搅拌5~15min，得到均匀的混合物，将该混合物在30℃~45℃下保温1~2h后，再在60℃~70℃下保温20~28h，最后在90℃~100℃下保温4~8h，用去离子水清洗表面并干燥后即得到酚醛树脂凝胶，其中造孔剂的质量占混合物质量的10~40%；步骤（4）、多孔碳的制备：将步骤（3）得到的酚醛树脂凝胶在一定的碳化条件下碳化...

【专利技术属性】
技术研发人员：连海兰，邓竣骞，陈玲，洪枢，袁杨，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32