一种快速制备分散性良好的微米级碳球的方法技术

本发明专利技术属于吸附材料技术领域，公开了一种快速制备分散性良好的微米级碳球的方法。本发明专利技术方法包括以下步骤：(1)将6质量份糖、0.2～5质量份强氧化剂和FeSO4在水中混合加热反应，分离，得到水热碳球；(2)把1质量份步骤(1)的水热碳球和1～5质量份草酸钾混合，惰性气氛下500～900℃高温焙烧1～5h，得到微米级碳球。本发明专利技术方法反应速率快，加热后5min内即可开始产生碳球，1～4h即接近反应完全，大大缩短了反应时间，减少能耗；制得的多孔活性碳球具有丰富的微孔和良好的分散性，比表面积为975～1430m

A Rapid Method for Preparing Micron Carbon Spheres with Good Dispersion

The invention belongs to the technical field of adsorption materials, and discloses a method for rapidly preparing micron carbon spheres with good dispersion. The method of the invention comprises the following steps: (1) heating the mixture of 6-component sugar, 0.2-5-component strong oxidant and FeSO4 in water, separating them to obtain hydrothermal carbon spheres; (2) mixing 1-component step (1) hydrothermal carbon spheres with 1-5-component potassium oxalate and calcining them at 500-900 (?) C for 1-5 h in inert atmosphere to obtain micron carbon spheres. The method of the invention has fast reaction rate, can start to produce carbon spheres within 5 minutes after heating, and is close to complete reaction within 1-4 hours, greatly shortening reaction time and reducing energy consumption; the porous activated carbon spheres prepared have abundant micropore and good dispersibility, and the specific surface area is 975-1430 M.

【技术实现步骤摘要】
一种快速制备分散性良好的微米级碳球的方法
本专利技术属于吸附材料
，特别涉及一种快速制备分散性良好的微米级碳球的方法。
技术介绍
微、纳米级碳球是催化、分离和储能的重要材料，其中，微米级碳球在许多应用领域中具有非常理想的性能，特别是具有分等级结构或多级孔结构的碳微球，这种结构有利于物质在其内部传输或对某些化学反应过程进行时空控制。此外，和纳米级碳球相比，碳微球更易于分离。因此，性能稳定、无毒、用途广泛的多孔、碳微球的高效快速制备越来越受到人们的重视。糖类(单糖、二糖、多糖)是常见的碳球制备原料，其良好的水溶性使其可以通过水热法，在密封的压力容器中以相对较低的温度(150～375℃)进行碳化反应，制得粒径分布较窄、表面光滑的水热碳球(HTCS)。通过在糖溶液中引入添加剂辅助水热，可以对其碳化过程和产物进行调控。例如，中国专利技术CN104944405A公开了一种酸碱调控葡萄糖溶液的pH值后再水热的办法，可制得粒径可调的HTCS。中国专利技术CN105347328A公开了一种以聚丙烯酸钠辅助蔗糖溶液水热碳化的方法，可得到表面粗糙的实心碳球。在蔗糖溶液中加入磷钨酸(NewJ.Chem.,2011,36,113-118.)可以获得分散较好且粒径可控的HTCSC。在pH≠7的蔗糖溶液中加入硫酸铵(ACSSustainableChem.Eng.,2014,2,755–764.)可以提高HTCS的收率。在葡萄糖溶液中加入丙烯酸(Angew.Chem.,Int.Ed.,2017,56,600-604；Chem.Mater.,2009,21,484-490.)可以得到树莓或类花状HTCS。这些以糖类为前驱体制备碳微球的报道大多关注其形貌、粒径和性能的变化，而忽略了制备效率的提升，采用的水热制备时间往往超过12h。如果能够大幅提高水热碳化效率，则可以明显降低在制备过程中的能源和时间耗费。Krishnan等人(ACSNano,2014,8(1):449-57.)在此方面做了一些有益的尝试。他们在葡萄糖水溶液中添加少量氧化石墨烯(GO)辅助水热，可以明显加速碳化过程，3～6h可完成碳化反应。不过，因为GO是片状结构，在其诱导下得到的碳材料也是片状的，未能保持原有的球形形貌。中国专利技术CN105460918A和CN108203087A也公开了一种以铵盐辅助蔗糖或淀粉在较高温度水热(250-350℃)的办法制备了空心碳球，其是通过大幅提高水热温度来缩短反应时间，但这些铵盐仅能起到催化碳化和缓冲反应液pH值的作用，并不改变碳球的组成结构。HTCS的结构致密、孔隙率低且比表面积很小(通常＜10m2/g)，因此需要活化才能获得较丰富的孔结构和较高的比表面积。常见的活化剂如KOH、H3PO4、ZnCl2等的腐蚀性较强，在活化过程中容易破坏HTCS的球形结构。综上，研发快速、具有均一球形形貌、可大规模制备多孔活性碳球的生产方法可以大幅减少时间、能源的耗费，且能提高活性炭材料的机械和应用性能，具有重要的科学价值和良好的应用前景。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种快速制备分散性良好的微米级碳球的方法。本专利技术方法利用强氧化剂辅助糖类水热碳化，在较短时间内制备分散性良好的HTCS，再与草酸钾混合高温焙烧，制备得到多孔活性碳球(ACS)。本专利技术另一目的在于提供上述方法制备得到的微米级碳球。本专利技术制备得到的多孔活性碳球(ACS)具有丰富的微孔和良好的分散性，在常温常压下对CO2具有优良的吸附能力。本专利技术再一目的在于提供上述微米级碳球在室温CO2捕获中的应用。本专利技术的目的通过下述方案实现：一种快速制备分散性良好的微米级碳球的方法，包括以下步骤：(1)将6质量份糖、0.2～5质量份强氧化剂和FeSO4在水中混合加热反应，分离，得到水热碳球；(2)把1质量份步骤(1)的水热碳球和1～5质量份草酸钾混合，惰性气氛下500～900℃高温焙烧1～5h，得到微米级碳球(ACS)。本专利技术方法中，所述的强氧化剂包括过硫酸铵(APS)、双氧水(H2O2)、过硫酸钾(K2S2O8)中的至少一种，优选为APS。本专利技术方法中，所述的糖包括单糖(如葡萄糖)、二糖(如蔗糖)和多糖(如淀粉)中的至少一种。步骤(1)中，所述糖在水中的质量浓度优选为5～30wt％，更优选为15wt％。步骤(1)中，所述硫酸亚铁的用量为催化量即可。步骤(1)中，所述加热反应优选为两段反应，第一阶段加热至60～80℃保温反应2～6h，第二阶段加热至180～190℃保温反应0～4h。所述从第一阶段加热到第二阶段的升温速率优选为1～10℃/min，更优选为3℃/min。步骤(1)中，所述加热反应优选将反应体系置于水热釜中在鼓风干燥箱中进行。步骤(1)中，所述的分离可通过过滤实现，所述分离后产物可采用水和乙醇反复洗涤多次并干燥后获得纯化产物。所述干燥优选为在鼓风干燥箱中80℃干燥8h。所得产物为黑色蓬松粉末。步骤(2)中，所用水热碳球和草酸钾的质量比优选为1:3。步骤(2)中，所述高温焙烧更优选在700℃焙烧2h。步骤(2)中，所述高温焙烧优选以1～5℃/min的速率升温，更优选为3℃/min。步骤(2)中，所述的惰性气氛可为氮气。所述惰性气氛的流量优选为30mL/min。步骤(2)中，所述高温焙烧优选在管式炉中进行；步骤(2)中，所述高温焙烧后产物可采用稀盐酸、水进行洗涤，干燥，得到纯化的ACS。所述干燥优选为在鼓风干燥箱中110℃干燥6h。本专利技术方法中，步骤(1)的反应速率快，加热后5min内即可开始产生碳球，1～4h即可接近反应完全，区别于现有技术的加热后60min后才开始碳化，需要高温反应12h以上才能完成反应，大大缩短了反应时间，减少能耗。且本专利技术方法中水热反应温度低，实现在低温下快速反应，获得性能优良的HTCS，其分散性明显提高，无块状聚积，烘干后得蓬松粉末，堆密度约为无氧化剂辅助制备HTCS的1/4。本专利技术方法中，利用性能优良的HTCS与草酸钾焙烧反应，利用草酸钾高温活化，得到孔隙率增强的活性碳球ACS，有效保持碳球形貌不变，比表面积和孔结构明显增加，其比表面积可达975～1430m2/g，而在相同实验条件下无强氧化剂辅助水热制备的ACS的比表面积仅为696～1115m2/g，增加了11～70％。本专利技术还提供上述方法制备得到的微米级碳球。本专利技术制备得到的多孔活性碳球(ACS)具有丰富的微孔和良好的分散性，在常温常压下对CO2具有优良的吸附能力，可达3.43～3.74mmol/g，而在相同实验条件下无强氧化剂辅助水热制备的ACS对CO2的吸附量仅为2.53～2.95mmol/g，吸附性能得到显著的提升，可应用于室温CO2捕获中。本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：与现有技术相比，本专利技术首次提出在糖溶液中添加强氧化剂辅助水热反应，快速制备了分散性良好的HTCS。糖类(二糖或多糖)在水热过程中会水解成葡萄糖、果糖等单糖，强氧化剂在水热过程中将糖类氧化降解，形成大量含2～6个碳的羟基羧酸；高浓度的有机酸促进葡萄糖异构化成果糖，进而脱水形成糠醛；糠醛之间经缩聚、脱水、碳化得碳球，同时，羟基酸之间也相互发生酯缩合、脱水、芳基化等反应，形成含氧量较高的杂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速制备分散性良好的微米级碳球的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将6质量份糖、0.2～5质量份强氧化剂和FeSO4在水中混合加热反应，分离，得到水热碳球；(2)把1质量份步骤(1)的水热碳球和1～5质量份草酸钾混合，惰性气氛下500～900℃高温焙烧1～5h，得到微米级碳球。

【技术特征摘要】
1.一种快速制备分散性良好的微米级碳球的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将6质量份糖、0.2～5质量份强氧化剂和FeSO4在水中混合加热反应，分离，得到水热碳球；(2)把1质量份步骤(1)的水热碳球和1～5质量份草酸钾混合，惰性气氛下500～900℃高温焙烧1～5h，得到微米级碳球。2.根据权利要求1所述的快速制备分散性良好的微米级碳球的方法，其特征在于：所述的强氧化剂包括过硫酸铵、双氧水、过硫酸钾中的至少一种。3.根据权利要求1所述的快速制备分散性良好的微米级碳球的方法，其特征在于：所述的糖包括单糖、二糖和多糖中的至少一种。4.根据权利要求1所述的快速制备分散性良好的微米级碳球的方法，其特征在于：所述的糖包括葡萄糖、蔗糖和淀粉中的至少一种。5.根据权利要求1所述的快速制备分散性良好的微米级碳球的方法，其特征在于：所述糖在水中的质量浓度为5～30wt％。6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡卫权，刘裴，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：广东,44