一种多孔碳材料的制备方法及所制得的多孔碳材料技术

本发明专利技术提供一种多孔碳材料的制备方法及所制得的多孔碳材料，其制备方法包括将河底淤泥冷冻干燥后进行研磨，再对研磨后的河底淤泥在惰性气体保护下进行预碳化；将预碳化后所得到的产物加入到氢氟酸水溶液中，混合搅拌一定时间后，采用蒸馏水对所得混合液进行洗涤，再对洗涤后所得固体产物进行烘干；将烘干后所得产物与氢氧化钾加入到蒸馏水中，混合搅拌一定时间后，对所得混合液进行烘干，再对烘干后所得产物进行研磨；将研磨后所得产物在惰性气体保护下进行碳化；将碳化后所得到的碳材料浸泡于稀盐酸中，采用蒸馏水对所得混合液进行洗涤，再对洗涤后所得到的固体产物进行烘干，得到多孔碳材料。所得多孔碳材料的比表面积大，孔径分布合理。

Preparation method of porous carbon material and porous carbon material

【技术实现步骤摘要】
一种多孔碳材料的制备方法及所制得的多孔碳材料
本专利技术涉及一种多孔碳材料的制备方法及所制得的多孔碳材料，属于多孔碳材料制造工艺

技术介绍
随着我国社会经济的发展，生活水平的提高，环境问题的关注度也日益提高，绿色经济和可持续发展成为了未来发展的主题。近年来河底淤泥量不断增加，如何实现河底淤泥的减量化、资源化、稳定化一直是研究热点。关于河底淤泥热解的研究重点大都集中在降低河底淤泥处理成本，减少能耗以及实现河底淤泥稳定化等目标，对于河底淤泥热解后得到的多孔碳材料资源化利用的研究并不多。多孔碳材料通常是由含碳丰富的生物质，如各类植物、动物粪便、木材、城市和工业废弃物、林农业废弃物等，通过碳化、热解而成的固态产物。河底淤泥含有丰富的有机物，体量巨大、价格低廉。很多国家都在积极研究和探索将河底淤泥变“废”为宝，开发利用其中丰富的生物质能，实现废物资源化利用。因此，提供一种以河底淤泥为前体的多孔碳材料的制备方法及所制得的多孔碳材料已经成为本领域亟需解决的技术问题。
技术实现思路
为了解决上述的缺点和不足，本专利技术的一个目的在于提供一种多孔碳材料的制备方法。本专利技术的另一个目的还在于提供由以上所述多孔碳材料的制备方法制备得到的多孔碳材料。为了实现以上目的，一方面，本专利技术提供了一种多孔碳材料的制备方法，其中，所述多孔碳材料的制备方法包括：(1)将河底淤泥冷冻干燥后进行研磨，再对研磨后的河底淤泥在惰性气体保护下进行预碳化处理；(2)将预碳化处理后所得到的产物加入到氢氟酸水溶液中，混合搅拌一定时间后，采用蒸馏水对所得混合液进行洗涤，再对洗涤后所得到的固体产物进行烘干；(3)将烘干后所得产物与氢氧化钾加入到蒸馏水中，混合搅拌一定时间后，对所得混合液进行烘干，再对烘干后所得产物进行研磨；(4)将研磨后所得到的产物在惰性气体保护下进行碳化处理；(5)将碳化处理后所得到的碳材料浸泡于稀盐酸中，采用蒸馏水对所得混合液进行洗涤，再对洗涤后所得到的固体产物进行烘干，得到多孔碳材料。在以上所述的多孔碳材料的制备方法中，优选地，步骤(1)中，所述将河底淤泥冷冻干燥，包括：将河底淤泥于-30℃至-90℃下冷冻不小于30h，以使河底淤泥完全冷冻；再将完全冷冻后的河底淤泥进行真空冷冻干燥，真空冷冻干燥的温度为-50℃至-75℃，时间为24-72h。在以上所述的多孔碳材料的制备方法中，冷冻温度范围为-30℃至-90℃，当冷冻温度较低时，冷冻所需要的时间可适当缩短，只要保证河底淤泥可完全冷冻即可。其中，在本专利技术具体实施方式中，所述真空冷冻干燥可于真空冷冻干燥仪内进行，真空冷冻干燥的温度为-50至-75℃，时间为24-72h，以使真空冷冻干燥后的河底淤泥的含水量尽可能小。在本专利技术一具体实施方式中，所述真空冷冻干燥的时间例如可为24h、48h等。本专利技术对河底淤泥进行冷冻干燥的优点是：可以在维持原河底淤泥孔隙结构基本不变的情况下，去除河底淤泥中的大部分水分；在冷冻干燥过程中保留下来的孔隙结构可作为模板，在碳化过程中可促进更为发达的孔隙结构的形成。在以上所述的多孔碳材料的制备方法中，优选地，步骤(1)中，研磨后所得产物(研磨后的河底淤泥)的粒径不大于80目。其中，所述研磨可于玛瑙研钵或者洁净的石英研钵进行，以防止有新杂质混入；冷冻干燥后研磨前的河底淤泥需要去除其中的陶瓷、塑料等肉眼可见的杂质；研磨后的河底淤泥的粒径不大于80目，分装于密封袋内；再将装有研磨后河底淤泥的密封袋放在干燥的环境(例如干燥器)下备用。在以上所述的多孔碳材料的制备方法中，预碳化处理可于管式炉中进行。在以上所述的多孔碳材料的制备方法中，优选地，步骤(1)中，所述惰性气体包括氩气或者氮气。因氮气最易购买，且价格最为低廉，所以在本专利技术一较为优选的实施方式中，所述惰性气体为氮气。在以上所述的多孔碳材料的制备方法中，预碳化的温度和时间与河底淤泥的组分有关，不同组分的河底淤泥预碳化时间与温度略有差异；优选地，步骤(1)中，所述预碳化处理的温度为300-400℃，时间为2-3h。在以上所述的多孔碳材料的制备方法中，预碳化开始前，在管式炉中需要先通一定时间(如30min)的氮气，然后再启动预碳化程序；先通一定时间的氮气的目的是：去除管式炉中的氧气，以防止河底淤泥在预碳化过程中燃烧。在以上所述的多孔碳材料的制备方法中，步骤(1)中，所述预碳化处理过程中的升温速率以及预碳化处理结束后的冷却降温速率均不可以过快，当升温速率和/或冷却降温速率过快，温度变化过于急剧时，可能会导致河底淤泥在预碳化中产生孔隙结构发生坍塌；因此，优选地，所述预碳化处理过程中的升温速率以及预碳化处理结束后的冷却降温速率为3-5℃/min。在以上所述的多孔碳材料的制备方法中，步骤(2)中，因河底淤泥中含有较多的砂子，砂子的主要成分为二氧化硅，氢氟酸是去除二氧化硅的有效试剂；河底淤泥中的二氧化硅可以看作是最终所得碳材料的内置模板；将预碳化处理后所得到的产物加入到氢氟酸水溶液中，混合搅拌一定时间，氢氟酸可以去除河底淤泥中的二氧化硅，该过程就是去除材料中内置模板的过程，内置模板去除的过程为所得碳材料孔隙结构发展的重要步骤。在以上所述的多孔碳材料的制备方法中，优选地，步骤(2)中，以所述氢氟酸水溶液的总重量为基准，其质量分数为5-15％。在本专利技术一具体实施方式中，所述氢氟酸水溶液的质量分数例如可以为5％、10％及15％等。在以上所述的多孔碳材料的制备方法中，优选地，步骤(2)中，所述混合搅拌在水浴加热条件下进行，所述水浴的温度为50-80℃。在以上所述的多孔碳材料的制备方法步骤(2)中，当采用较低质量分数的氢氟酸时，可适当延长混合搅拌时间；当采用较高质量分数的氢氟酸时，可适当缩短混合搅拌时间；步骤(2)中，所述混合搅拌的时间为3-6h。在本专利技术一具体实施方式中，所述混合搅拌的时间例如可为3h、4h、5h等。因氢氟酸极易腐蚀玻璃，故在此步骤(2)中，混合过程需要采用聚四氟乙烯烧杯；混合搅拌时需要先将预碳化处理后所得到的产物和适量的蒸馏水相混合得到混合溶液，再将氢氟酸水溶液滴加进以上所述的混合溶液中，盛有混合溶液的聚四氟乙烯烧杯应置于可加热的搅拌器上进行水浴加热，水浴加热的温度数值范围为50-80℃；混合搅拌过程中预碳化处理后所得到的产物会与氢氟酸发生反应，产生四氟化硅，该四氟化硅在在受热状态下极不稳定，易从混合液中脱离，以实现去除。此外，氢氟酸极易腐蚀人体骨骼，且目前没有有效的治疗手段；人体不可吸入氢氟酸，不可直接接触氢氟酸，该操作步骤需要在通风橱中进行，且应做好防护工作，例如穿实验服、戴护目镜、戴双层乳胶手套等。在以上所述的多孔碳材料的制备方法步骤(2)中，洗涤时的操作步骤如下所示：将适量的搅拌混合所得到的混合液装入塑料离心管中，加足量蒸馏水，充分震荡混合后进行离心；将离心后的上清液去除，重新加入蒸馏水，充分震荡后再次离心；如此反复，直至上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述多孔碳材料的制备方法包括：/n(1)将河底淤泥冷冻干燥后进行研磨，再对研磨后的河底淤泥在惰性气体保护下进行预碳化处理；/n(2)将预碳化处理后所得到的产物加入到氢氟酸水溶液中，混合搅拌一定时间后，采用蒸馏水对所得混合液进行洗涤，再对洗涤后所得到的固体产物进行烘干；/n(3)将烘干后所得产物与氢氧化钾加入到蒸馏水中，混合搅拌一定时间后，对所得混合液进行烘干，再对烘干后所得产物进行研磨；/n(4)将研磨后所得到的产物在惰性气体保护下进行碳化处理；/n(5)将碳化处理后所得到的碳材料浸泡于稀盐酸中，采用蒸馏水对所得混合液进行洗涤，再对洗涤后所得到的固体产物进行烘干，得到多孔碳材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述多孔碳材料的制备方法包括：
(1)将河底淤泥冷冻干燥后进行研磨，再对研磨后的河底淤泥在惰性气体保护下进行预碳化处理；
(2)将预碳化处理后所得到的产物加入到氢氟酸水溶液中，混合搅拌一定时间后，采用蒸馏水对所得混合液进行洗涤，再对洗涤后所得到的固体产物进行烘干；
(3)将烘干后所得产物与氢氧化钾加入到蒸馏水中，混合搅拌一定时间后，对所得混合液进行烘干，再对烘干后所得产物进行研磨；
(4)将研磨后所得到的产物在惰性气体保护下进行碳化处理；
(5)将碳化处理后所得到的碳材料浸泡于稀盐酸中，采用蒸馏水对所得混合液进行洗涤，再对洗涤后所得到的固体产物进行烘干，得到多孔碳材料。


2.根据权利要求1所述的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述将河底淤泥冷冻干燥，包括：
将河底淤泥于-30℃至-90℃下冷冻不小于30h，以使河底淤泥完全冷冻；
再将完全冷冻后的河底淤泥进行真空冷冻干燥，真空冷冻干燥的温度为-50℃至-75℃，时间为24-72h。


3.根据权利要求1所述的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)及步骤(3)中，研磨后所得产物的粒径不大于80目。


4.根据权利要求1所述的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)及步骤(4)中，所述惰性气体包括氩气或者氮气。


5.根据权利要求1所述的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述预碳化处理的温度为300-400℃，时间为2-3h。


6.根据权利要求1或5所述的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述预碳化...

【专利技术属性】
技术研发人员：张佳佳，范伟，饶雪峰，张晓磊，李楠，
申请(专利权)人：中冶京诚工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11