利用三元低温熔融盐制备纳米孔碳材料的反应系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种三元低温熔融盐制备纳米碳材料的反应系统和方法，属于多孔材料技术领域，解决了现有纳米孔碳材料制备过程复杂、原料腐蚀性强以及高温过程会产生挥发性的盐及易燃的气态碱金属导致对设备的要求高的问题。本发明专利技术的反应系统包括反应单元和分离器单元；反应单元底部通过设有卸料阀的管道与分离器单元连通；反应单元包括高温反应釜、第一加热部件和搅拌部件；分离器单元包括中空的上圆锥体和下圆锥体，上圆锥体和下圆锥体之间设有筛网，筛网上方设有刮刀收集器和分离口，刮刀收集器将筛网上方的固体产物移出上圆锥体；下圆锥体底部设有熔融盐收集容器。本发明专利技术直接从前体材料制备纳米孔隙碳材料，实现预碳化和活化造孔过程的整合。

Reaction system and method of preparing nano porous carbon materials by ternary low temperature molten salt

【技术实现步骤摘要】
利用三元低温熔融盐制备纳米孔碳材料的反应系统和方法
本专利技术涉及多孔材料
，尤其涉及一种利用三元低温熔融盐制备纳米孔碳材料的方法。
技术介绍
多孔木炭被用作吸附剂可以追溯至公元前1500年，碳材料的多孔结构致其具有优异的吸附性能。随着制备与表征技术的进步，我们对碳材料的孔隙特性有了更深入的理解。为了实现更优异及特定选择性功能的多孔材料，需要有特定的活化造孔方法。在目前的技术条件下，适合制备碳多孔碳材料的前体物质比较丰富，其包括生物质类原料，化石类碳原料，以及合成高分等。针对不同原料有不同活化造孔方法。目前工业上常用的活化制孔方法有气体活化法和化学试剂接触活化法。气体活化法指的是活化气体(水蒸气，二氧化碳，空气或烟道气等)在800～1000℃的高温下与碳化后的原料接触，通过活化气体的高温氧化过程对原料碳进行活化制孔。化学试剂接触活化法采用化学药品对碳化前体进行浸渍然后热处理制孔的过程，不同的原料采用不同的处理类型药品进行处理，木屑及生物质原料采用酸性类试剂如：氯化锌、磷酸、多聚磷酸；对于初级碳化原料(基于生物质、石油焦、煤或高分子前体)也可以采用氢氧化钠或氢氧化钾高温插层活化。利用氢氧化物活化其成本较高，过程中存在盐腐蚀和大量不可控因素。这一活化过程在工业应用中较少，只是在生产超级电容碳材料方面有比较有限的应用。氢氧化物活化的得到的材料比表面积大，各方面性能相对优异。氢氧化物活化过程的机理为热处理过程生成的钠或钾对碳结构中的层状结构进行插层从而生成内部孔隙(ChemistryandPhysicofCarbonVol.30,2008,p1-62.)。这一活化过程的最大优势在于可以制备具有高比表面的超级活性碳材料(>3000m2/g)，在一定的条件下，可以制备出比表面积的数值可以达到5000m2/g的超级孔材料。AndersonDevelopmentCompany开发的AMOCO超级活性碳AX21，其BET表面积为2800-3500m2/g，其总的孔容量范围1.4～2.0cm3/g。日本的KansaiCokeandChemicalsCompany对AMOCO工艺进行了进一步的发展，推出了MAXSORB系列产品，其BET表面积超过3100m2/g，其总的孔容量超过2.5cm3/g。氢氧化物活化材料原料必须经过一定的热处理，使材料中的小分子及易挥发成分从结构中脱离，材料的纯碳元素含量达到95％以上。而且氢氧化物在高温时具有很强的腐蚀性，同时高温过程会产生挥发性的盐及易燃的气态碱金属，这些对设备和操作过程提出了很高的要求。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种三元低温熔融盐制备纳米碳材料的反应系统和方法，用以解决现有纳米孔碳材料制备过程复杂、原料腐蚀性强以及高温过程会产生挥发性的盐及易燃的气态碱金属导致对设备的要求较高的技术问题。本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：一方面，本专利技术公开了利用三元低温熔融盐制备纳米孔碳材料的反应系统，包括反应单元和分离器单元；反应单元底部通过设有卸料阀的管道与分离器单元连通；反应单元包括高温反应釜、第一加热部件和搅拌部件；加热部件设于高温反应釜的外部用于加热高温反应釜；搅拌部件贯穿高温反应釜提顶部；分离器单元为分离器，分离器包括中空的上圆锥体和下圆锥体，上圆锥体和下圆锥体之间设有筛网，筛网上方设有刮刀收集器和分离口，刮刀收集器将筛网上方的固体产物通过分离口移出上圆锥体；下圆锥体底部设有熔融盐出口，熔融盐出口与熔融盐收集器连通。在一种可能的设计中，高温反应釜包括釜体容器与釜盖，搅拌部件包括依次连接的驱动电机、搅拌轴和搅拌叶片，搅拌轴穿过釜盖，搅拌叶片与搅拌轴连接且设于釜体容器中；釜盖上方设有温度探测器、负压压力表、连通口及补充进料口。在一种可能的设计中，反应系统还包括辅助单元，辅助单元包括真空泵和氮气瓶，氮气瓶与第一支路连接，真空泵与第二支路的连接，第一支路和第二支路汇合后通过气体管路与连通口连接；气体管路上设有第一阀门，第一支路上设有第二阀门，第二支路上设有第三阀门和水冷凝管。在一种可能的设计中，氮气瓶还通过第三支路与分离器单元连接，第三支路上设有第四阀门。在一种可能的设计中，分离器单元外部设有第二加热部件；第二加热部件用于加热分离器单元；分离器单元中的筛网为金属镍网，金属镍网的网孔尺寸为6.5μm～13μm。另一方面，本专利技术还公开了利用三元低温熔融盐制备纳米孔碳材料的方法，其特征在于，采用上述的反应系统，包括以下步骤：步骤1、将三元低温熔融盐Li2CO3-Na2CO3-K2CO3与碳材料原料按质量比为5：1～10：1进行混合，得到混合原料；步骤2、将混合原料置于高温反应釜中，密封后打开真空泵，保持高温反应釜的真空度为-0.2～-0.1MPa，混合原料在设定反应条件下完成反应，生成含有残余碳酸盐液体的固体碳材料；步骤3、关闭真空泵，打开氮气瓶，分别向高压反应釜中和分离器单元中通入氮气，待反应釜内压力为0.5MPa、分离器内部压力为0.2MPa时，停止向高压反应釜中和分离器单元中通入氮气；步骤4、打开卸料阀，步骤2中含有残余碳酸盐液体的固体碳材料进入分离器单元中，处于筛网上方的固体产物通过刮刀收集器收集到近分离口的一侧，并在在氮气气氛中冷却后移出分离器，熔融盐液体通过熔融盐出口进入熔融盐收集器中；步骤5、将步骤4获得的碳材料固体进行清洗处理，经过过滤、干燥后得到纳米孔碳材料。进一步地，在步骤1中，Li2CO3-Na2CO3-K2CO3三元低温熔融盐含有摩尔比为30％-50％的Li2CO3、摩尔比为15％-40％的Na2CO3，其余为K2CO3。进一步地，在步骤5中，将步骤4获得的碳材料固体采用2～20倍质量的去离子水分批次利用超声清洗仪处理，每次处理时间5～30min。进一步地，在步骤2中，设定反应条件为：将高温反应釜以1.0℃/min-10℃/min的升温速率升温至550℃～850℃，在550℃～850℃条件下以3.0r/min～300r/min的搅拌速率搅拌15～90min。进一步地，还包括步骤6、开启高温反应釜中的搅拌部件，并从补充进料口注入混合原料，重复以上步骤2、3、4和5，进行下一批次制备纳米孔碳材料的反应。与现有技术相比，本专利技术至少可实现如下有益效果之一：(1)本专利技术采用Li2CO3-Na2CO3-K2CO3三元低温熔融盐介质来制备纳米孔隙碳材料，可以实现直接从前体材料制备，实现预碳化和活化造孔过程的整合；Li2CO3-Na2CO3-K2CO3三元低温熔融盐的熔点低于500℃，高温条件下挥发性与腐蚀性相对较低，而且同时实现Li-Na-K插层作用，有利于获得好的活化造孔效果。(2)本专利技术的制备纳米孔碳材料的反应系统耐腐蚀性较好，反应过程中产生的挥发性盐能够及时通过排空口排出，产生的易燃的气态金属碱化物通过分离器单元能够及时分离出去，本申请分离器单元采用中空的上圆锥本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用三元低温熔融盐制备纳米孔碳材料的反应系统，其特征在于，包括反应单元和分离器单元；所述反应单元底部通过设有卸料阀的管道与分离器单元连通；所述反应单元包括高温反应釜、第一加热部件和搅拌部件；所述第一加热部件设于高温反应釜的外部，用于加热高温反应釜；所述搅拌部件贯穿高温反应釜提顶部；/n所述分离器单元包括分离器，分离器包括中空的上圆锥体和下圆锥体，所述上圆锥体和下圆锥体之间设有筛网，所述筛网上方设有刮刀收集器和分离口，所述刮刀收集器将筛网上方的固体产物通过分离口移出上圆锥体；所述下圆锥体底部设有熔融盐收集容器。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用三元低温熔融盐制备纳米孔碳材料的反应系统，其特征在于，包括反应单元和分离器单元；所述反应单元底部通过设有卸料阀的管道与分离器单元连通；所述反应单元包括高温反应釜、第一加热部件和搅拌部件；所述第一加热部件设于高温反应釜的外部，用于加热高温反应釜；所述搅拌部件贯穿高温反应釜提顶部；
所述分离器单元包括分离器，分离器包括中空的上圆锥体和下圆锥体，所述上圆锥体和下圆锥体之间设有筛网，所述筛网上方设有刮刀收集器和分离口，所述刮刀收集器将筛网上方的固体产物通过分离口移出上圆锥体；所述下圆锥体底部设有熔融盐收集容器。


2.根据权利要求1所述的利用三元低温熔融盐制备纳米孔碳材料的反应系统，其特征在于，所述高温反应釜包括釜体容器与釜盖，所述搅拌部件包括依次连接的驱动电机、搅拌轴和搅拌叶片，所述搅拌轴穿过釜盖，搅拌叶片与搅拌轴连接且设于釜体容器中；
所述釜盖上方设有温度探测器、负压压力表、连通口及补充进料口。


3.根据权利要求2所述的利用三元低温熔融盐制备纳米孔碳材料的反应系统，其特征在于，所述反应系统还包括辅助单元，所述辅助单元包括真空泵和氮气瓶，所述氮气瓶与第一支路连接，所述真空泵与第二支路的连接，所述第一支路和第二支路汇合后通过气体管路与连通口连接；
所述气体管路上设有第一阀门，所述第一支路上设有第二阀门，所述第二支路上设有第三阀门和水冷凝管。


4.根据权利要求3所述的利用三元低温熔融盐制备纳米孔碳材料的反应系统，其特征在于，所述氮气瓶通过第三支路与分离器单元连接，所述第三支路上设有第四阀门。


5.根据权利要求1所述的利用三元低温熔融盐制备纳米孔碳材料的反应系统，其特征在于，所述分离器单元外部设有第二加热部件；所述第二加热部件用于加热分离器单元；
所述分离器单元中的筛网为金属镍网，所述金属镍网的网孔尺寸为6.5μm～13μm。


6.一种利用三元低温熔融盐制备纳米孔碳材料的方法，其特征在于，采用权利要求1-5所述的反应系统，包括以下步骤：
步骤1、将三元低...

【专利技术属性】
技术研发人员：李峰波，袁国卿，宋延林，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11