一种高孔隙率多孔炭及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于多孔炭领域，公开了一种具有高比表面积和高孔体积的多孔炭及其制备方法和应用。所述高孔隙率多孔炭的制备方法包括：S1、将含锌有机物在800～950℃下采用二氧化碳进行物理活化，得到多孔炭‑氧化锌复合物；S2、在惰性气体保护下，将多孔炭‑氧化锌复合物进行碳热还原反应，随炉冷却，研磨。本发明专利技术提供的高孔隙率多孔炭的制备方法先将含锌有机物采用二氧化碳进行物理活化，之后再在惰性气氛保护下进行高温处理，使得氧化锌和炭基体发生碳热还原反应，这样不仅能够对炭基体进行进一步活化，而且还能够促使锌蒸汽的排出，从而进一步增大多孔炭的比表面积和孔体积，整个制备过程不会产生腐蚀性气体，也无需酸洗处理，工艺简单，绿色环保。

A Porous Carbon with High Porosity and Its Preparation Method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种高孔隙率多孔炭及其制备方法和应用
本专利技术属于多孔炭领域，特别涉及一种具有高比表面积和高孔体积的多孔炭及其制备方法和应用。
技术介绍
多孔炭(活性炭)具有化学性质稳定、比表面积大、孔隙结构丰富等特点，在吸附净化和电化学储能等领域具有广阔的应用前景。现有技术中，多孔炭一般以生物质或煤焦油作为原料，通过预炭化或者水蒸汽/二氧化碳物理活化或者化学活化的方法制备多孔炭。在活化过程中，以二氧化碳或水蒸气作为活化介质进行物理活化可以保证多孔炭的原有形貌。然而，所获得的多孔炭的比表面积越大，收率越低，机械强度也越低。以氢氧化钾(钠)、氯化锌或磷酸为活化剂进行化学活化可以获得较高的比表面积以及较高的收率。然而，由于氢氧化钾(钠)、氯化锌和磷酸活化剂的强腐蚀作用，会对设备造成较大损耗，而且活化后需要进行酸洗除杂，产生的有害废水也会污染环境，排放受到限制。此外，在炭基体中引入无机物作为硬模板是增大多孔炭的孔体积和比表面积的常用方法。其中，ZnO、MgO等是最常用的硬模板。然而，在活化处理后，上述硬模板需要使用酸或碱溶液清洗才能够除去，同样存在工序复杂且会产生大量有害废水的问题。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种新的高孔隙率多孔炭的制备方法以及由该方法制备得到的高孔隙率多孔炭及其应用。具体地，本专利技术提供了一种高孔隙率多孔炭的制备方法，其中，该方法包括如下步骤：S1、将含锌有机物在800～950℃下采用二氧化碳进行物理活化，得到多孔炭-氧化锌复合物；S2、在惰性气体保护下，将所述多孔炭-氧化锌复合物进行碳热还原反应，随炉冷却，研磨，得到所述高孔隙率多孔炭。进一步的，所述含锌有机物选自柠檬酸锌、葡萄糖酸锌和硬脂酸锌中的至少一种。进一步的，步骤S1中，所述物理活化的时间为2～4小时。进一步的，步骤S1中，所述物理活化的具体过程为：将所述含锌有机物用坩埚盛装，置于具有气体切换功能的气氛烧结炉中，先在惰性气体保护下，以1～3℃/min的速率升温至800～950℃，之后立即将气体切换至二氧化碳气体，并将二氧化碳气体的流量保持在50～100mL/min下保温2～4小时，接着将气体切换回惰性气体。进一步的，步骤S2中，所述碳热还原反应的条件包括温度为900～1100℃，时间为1～3小时。进一步的，步骤S2中，所述碳热还原反应的具体过程为：在惰性气体保护下，以1～3℃/min的升/降温速率将温度转换至900～1100℃并保温1～3小时。其中，所述碳热还原反应通常与所述物理活化在同一烧结炉中进行，当所述碳热还原反应的温度与物理活化的温度相同时，则无需调整温度而直接继续保温1～3小时以完成碳热还原反应即可；当所述碳热还原反应的温度低于物理活化的温度时，则需要将温度以1～3℃/min的速率降温至碳热还原反应温度之后再保温1～3小时以完成碳热还原反应；当所述碳热还原反应的温度高于物理活化的温度时，则需要将温度以1～3℃/min的速率升温至碳热还原反应温度之后再保温1～3小时以完成碳热还原反应。根据本专利技术的一种优选实施方式，所述高孔隙率多孔炭的制备方法包括以下步骤：S1、将所述含锌有机物用坩埚盛装，置于具有气体切换功能的气氛烧结炉中，先在惰性气体保护下，以1～3℃/min的速率升温至800～950℃，之后立即将气体切换至二氧化碳气体，并将二氧化碳气体的流量保持在50～100mL/min下保温2～4小时，接着将气体切换回惰性气体，得到多孔炭-氧化锌复合物；S2、在惰性气体保护下，将所述多孔炭-氧化锌复合物的温度以1～3℃/min的升/降温速率转换至900～1100℃并保温1～3小时，随炉冷却，研磨，得到所述高孔隙率多孔炭。进一步的，所述惰性气体为氮气或者氩气。进一步的，步骤S2中，所述研磨的条件优选使所得高孔隙率多孔炭的粒径为10～50μm。本专利技术还提供了由上述方法制备得到的高孔隙率多孔炭。进一步的，所述高孔隙率多孔炭的比表面积为1200～2950m2/g，总孔体积为1.2～2.5m3/g。进一步的，所述高孔隙率多孔炭为微米级颗粒，其尺寸为10～50μm。此外，本专利技术还提供了所述高孔隙率多孔炭作为吸附净化材料或电化学储能材料的应用。本专利技术提供的高孔隙率多孔炭的制备方法先将含锌有机物采用二氧化碳进行物理活化，得到多孔炭-氧化锌复合物，之后再在惰性气氛保护下进行高温处理，使得氧化锌和炭基体发生碳热还原反应，这样不仅能够对炭基体进行进一步活化，而且还能够促使锌蒸汽的排出(当温度达到900℃以上时，在惰性气体条件下，氧化锌会被碳还原成金属锌，而金属锌在该温度下为气态，因此会从炭基体中逸出)，从而进一步增大多孔炭的比表面积和孔体积，整个制备过程不会产生腐蚀性气体，也无需酸洗处理，工艺简单，绿色环保。附图说明图1为由实施例1得到的高孔隙率多孔炭的扫描电镜照片。图2为由实施例1得到的高孔隙率多孔炭的X射线衍射(XRD)谱图。图3为由实施例1得到的高孔隙率多孔炭的氮气吸附/脱附曲线。图4为由实施例2得到的高孔隙率多孔炭的氮气吸附/脱附曲线。图5为由实施例3得到的高孔隙率多孔炭的氮气吸附/脱附曲线。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。实施例1S1、将6g葡萄糖酸锌装入氧化铝坩埚中，放入带有气体切换功能的石英管式炉中，在氮气保护下，以1℃/min的速率将温度升高到900℃，然后立即将气体切换成二氧化碳气体，并将二氧化碳气体的流量保持在50mL/min下保温2小时，接着将气体切换成氮气，得到多孔炭-氧化锌复合物；S2、在氮气气氛中，将多孔炭-氧化锌复合物再在900℃下保温热处理2小时，之后随炉冷却至室温，收集反应产物，研磨，得到高孔隙率多孔炭，其为微米级颗粒，尺寸为10～50μm。该高孔隙率多孔炭的扫描电镜照片、X射线衍射图谱以及氮气吸附/脱附曲线分别如图1、图2和图3所示。从图1的结果可以看出，该高孔隙率多孔炭具有多孔结构，炭颗粒表面有明显的因ZnO粒子蒸发而留下的孔洞。从图2的结果可以看出，该高孔隙率多孔炭中不存在ZnO。从图3的结果可以计算出，该高孔隙率多孔炭的比表面积为2030m2/g，总孔体积为1.70cm3/g。实施例2按照实施例1的方法制备高孔隙率多孔炭，不同的是，步骤S2中热处理的温度为1000℃，且从步骤S1的活化温度升至热处理温度的升温速率为1℃/min，其余条件与实施例1相同，得到高孔隙率多孔炭，其为微米级颗粒，尺寸为10～50μm。该高孔隙率多孔炭的氮气吸附/脱附曲线如图4所示。从图4的结果可以计算出，该高孔隙率多孔炭的比表面积和总孔体积分别为2950m2/g和2.42cm3/g。实施例3按照实施例1的方法制备高孔隙率多孔炭，不同的是，步骤S2中热处理的温度为1100℃，且从步骤S1的活化温度升至热处理温度的升温速率为1℃/min，其余条件与实施例1相同，得到高孔隙率多孔炭，其为微米级颗粒，尺寸为10～50μm。该高孔隙率多孔炭的氮气吸附/脱附曲线如图5所示。从图5的结果可以计算出，该高孔隙率的比表面积和总孔体积分别为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高孔隙率多孔炭的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1、将含锌有机物在800～950℃下采用二氧化碳进行物理活化，得到多孔炭‑氧化锌复合物；S2、在惰性气体保护下，将所述多孔炭‑氧化锌复合物进行碳热还原反应，随炉冷却，研磨，得到所述高孔隙率多孔炭。

【技术特征摘要】
1.一种高孔隙率多孔炭的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1、将含锌有机物在800～950℃下采用二氧化碳进行物理活化，得到多孔炭-氧化锌复合物；S2、在惰性气体保护下，将所述多孔炭-氧化锌复合物进行碳热还原反应，随炉冷却，研磨，得到所述高孔隙率多孔炭。2.根据权利要求1所述的高孔隙率多孔炭的制备方法，其特征在于，所述含锌有机物选自柠檬酸锌、葡萄糖酸锌和硬脂酸锌中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的高孔隙率多孔炭的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述物理活化的时间为2～4小时。4.根据权利要求1或2所述的高孔隙率多孔炭的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述物理活化的具体过程为：将所述含锌有机物用坩埚盛装，置于具有气体切换功能的气氛烧结炉中，先在惰性气体保护下，以1～3℃/min的速率升温至800～950℃，之后立即将气体切换至二氧化碳气体，并将二氧化碳气体的流量保持在50～100mL/min下保温2～4小时，接着将气体切换回惰性气体。5.根据权利要求1或2所述的高孔隙率多孔炭的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述碳热还原反应的条件包括温度为900～1100℃，时间为1～3小时。6.根据权利要求1或2所述的高孔隙率多孔炭的...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹智敏，姜春海，
申请(专利权)人：厦门理工学院，
类型：发明
国别省市：福建,35