一种超高比表面积多孔炭材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种超高比表面积多孔炭材料及其制备方法，属于新材料技术领域，解决了现有方法在制备多孔炭材料过程中使用大量的、高温时具有很强的腐蚀性氢氧化物，导致产生挥发性的盐及易燃的气态碱金属，从而对设备和操作过程要求高的问题。本发明专利技术的制备材料包括：炭质原料、有机醇、钾盐或钠盐。本发明专利技术的制备方法包括：步骤1、对炭质原料进行预炭化处理；步骤2、利用含钾或含钠的醇溶液在超临界条件下处理炭质原料；步骤3、将超临界处理后的炭质原料进行高温热处理，然后清洗、干燥，得到超高比表面积多孔炭材料。本发明专利技术实现了在少量钾或钠金属盐存在的条件下制备出超高比表面积(>3200m

【技术实现步骤摘要】
一种超高比表面积多孔炭材料及其制备方法
本专利技术涉及新材料
，尤其涉及一种超高比表面积多孔炭材料及其制备方法。
技术介绍
活性炭是目前应用最为广泛，性价比最高的多孔吸附材料，其独特的吸附性能与其较高的比表面积、微孔结构以及表面化学活性等关键参数密切相关。活性炭的吸附特性使其适用于液相或气相中的纯化、脱色、除味、除氯和分离，应用范围涉及食品、制药、化学工业、石油石化、核工业、汽车工业等领域中含污染的液态或气态排放物的处理。一般的炭质原料都可以用来制备活性炭，制备流程包括炭化与活化两个过程，炭化过程主要通过热过程从前体材料中去除非碳元素，活化过程主要通过外界干预过程发展孔隙结构，其一活化策略为在高温下通过氧化性气体(空气，二氧化碳，水蒸气)对碳结构进行刻蚀，其二活化策略为采用化学试剂分子(磷酸，氢氧化钾，氯化锌)浸渍渗透处理。目前广泛应用的活性炭的比表面积在500～2000m2/g，孔容积值的范围为0.7～1.8cm3/g。采用通常的活化方法可以实现1000m2/g左右的BET比表面积，但要制备出BET比表面积大于2500m2/g的超级孔隙结构，在关键技术上还存在很多难题。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。氢氧化物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。但是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，本专利技术旨在提供一种超高比表面积多孔炭材料及其制备方法，用以解决现有方法在制备多孔炭材料过程中大量使用高温时具有很强的腐蚀性氢氧化物，导致产生挥发性的盐及易燃的气态碱金属，从而对设备和操作过程具有很高要求的技术问题。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，本专利技术提供了一种超高比表面积多孔炭材料，超高比表面积多孔炭材料的制备材料包括炭质原料、有机醇、钾盐或钠盐；钠盐或钾盐的质量为炭质原料质量的0.2.～1.0倍；超高比表面积多孔炭材料的比表面积>3200m2/g。进一步地，炭质原料包括生物质、煤炭、石油焦、PVC沥青、糠醇树脂、酚醛树脂和炭黑中的一种；有机醇为甲醇、乙醇、异丙醇和正丁醇中的一种；钾盐为甲醇钾、乙醇钾、异丙醇钾、正丁醇钾、叔丁醇钾和乙酰丙酮钾中的一种；钠盐为甲醇钠、乙醇钠、异丙醇钠、正丁醇钠、叔丁醇钠和乙酰丙酮钠中的一种。另一方面，本专利技术还提供了一种超高比表面积多孔炭材料的制备方法，用于制备上述的超高比表面积多孔炭材料，该制备方法包括以下步骤：步骤1、对炭质原料进行预炭化处理；步骤2、利用含钾盐或含钠盐的醇溶液在超临界条件下处理炭质原料；采用含钾盐或含钠盐的醇溶液在超临界条件下处理炭质原料的温度为240～350℃，处理时间为0.5～5.0h；步骤3、将超临界处理后的炭质原料进行高温热处理，热处理后清洗、干燥，得到超高比表面积多孔炭材料。进一步地，在步骤1中，炭质原料的预炭化处理温度为400～600℃，处理时间为1.0～4.0h；预炭化处理后炭质原料的碳元素含量大于95％。进一步地，在步骤1中，预炭化处理采用氮气作为载气，氮气流速为100～800ml/min；在炭质原料预炭化处理的升温过程中的升温速率为2～10℃/min。进一步地，在步骤2中，醇溶液与炭质原料的质量比为4～8。进一步地，在步骤2中，醇溶液中钾盐或钠盐的质量浓度为5～20％。进一步地，在步骤3中，高温热处理的温度为650～850℃，热处理时间为0.5～3.0h。进一步地，在步骤3中，高温热处理过程的升温速率为3～15℃/min。进一步地，在步骤3中，采用5～20倍的去离子水浸渍清洗，之后在90～120℃条件下进行干燥，得到超高比表面积多孔炭材料。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)现有技术中要制备出BET比表面积大于2500m2/g的超级孔隙结构，需要采用过量数倍(3～8倍)的氢氧化钾或氢氧化钠在高温下对炭结构进行活化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，由于大量氢氧化物的使用，使得制备过程对设备和操作工序相对复杂，制备成本高昂，同时也限制了制备规模。本专利技术采用含钾或含钠的超临界醇溶液处理炭质原料，通过超临界条件下醇溶液的特殊溶解与溶胀性能，使得钾盐或钠盐能有效渗入炭结构的错层与缺陷中，进而最大限度实现钾或钠的插层造孔效果，实现在少量钾离子或钠离子(钾盐或钠盐的质量为炭质原料质量的0.2～1.0倍)存在的条件下制备超高比表面积(>3200m2/g)多孔炭材料。(2)现有技术中，高温下大量挥发性腐蚀性氢氧化物的使用使得过程中气氛环境的控制与尾气的处理都非常困难，本专利技术使用低剂量醇钾盐或醇钠盐为活化剂，使得超高比表面积多孔活性炭的制备过程更易于控制，尾气中的挥发性腐蚀性盐及易燃易爆性的气态碱金属大量减少，可以采用简单的工序进行处理。本专利技术的制备方法与现有技术相比更加高效可控、经济环保。(3)现有技术相比，本专利技术方法采用低剂量的醇钾盐或醇钠盐活化剂，在保证活化效果的同时，实现了超高比表面积(>3200m2/g)多孔炭材料的制备。本专利技术中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。附图说明附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。图1为炭质原料的微观结构示意图；图2为利用含有钾盐或钠盐的超临界醇溶液处理炭质原料的过程示意图；图3为热处理插层过程与孔隙结构形成过程示意图；图4为超高比表面积多孔炭材料的示意图。具体实施方式下面结合附图来具体描述本专利技术的优选实施例，其中，附图构成本专利技术的一部分，并与本专利技术的实施例一起用于阐释本专利技术的原理，并非用于限定本专利技术的范围。一方面，本专利技术提供一种超高比表面积多孔炭材料，如图4所示，该超高比表面积多孔炭材料的制备材料包括炭质原料、有机醇、钾盐或钠盐。其中，炭质原料来自不同炭质前体材料，包括生物质、煤炭、石油焦、PVC沥青、糠醇树脂、酚醛树脂和炭黑中的一种；有机醇为甲醇、乙醇、异丙醇和正丁醇中的一种；钾盐为甲醇钾、乙醇钾、异丙醇钾、正丁醇钾、叔丁醇钾和乙酰丙酮钾中的一种；钠盐为甲醇钠、乙醇钠、异丙醇钠、正丁醇钠、叔丁醇钠和乙酰丙酮钠中的一种。炭质原料需要在无氧条件下及400～600℃进行预炭化处理，以脱去主要的杂原子与挥发组分，使其碳元素含量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超高比表面积多孔炭材料，其特征在于，所述超高比表面积多孔炭材料的制备材料包括炭质原料、有机醇、钾盐或钠盐；/n所述钠盐或钾盐的质量为炭质原料质量的0.2～1.0倍；/n所述超高比表面积多孔炭材料的比表面积>3200m

【技术特征摘要】
1.一种超高比表面积多孔炭材料，其特征在于，所述超高比表面积多孔炭材料的制备材料包括炭质原料、有机醇、钾盐或钠盐；
所述钠盐或钾盐的质量为炭质原料质量的0.2～1.0倍；
所述超高比表面积多孔炭材料的比表面积>3200m2/g。


2.根据权利要求1所述的超高比表面积多孔炭材料，其特征在于，
所述炭质原料包括生物质、煤炭、石油焦、PVC沥青、糠醇树脂、酚醛树脂和炭黑中的一种；所述有机醇为甲醇、乙醇、异丙醇和正丁醇中的一种；
所述钾盐为甲醇钾、乙醇钾、异丙醇钾、正丁醇钾、叔丁醇钾和乙酰丙酮钾中的一种；所述钠盐为甲醇钠、乙醇钠、异丙醇钠、正丁醇钠、叔丁醇钠和乙酰丙酮钠中的一种。


3.一种超高比表面积多孔炭材料的制备方法，用于制备权利要求1和2所述的超高比表面积多孔炭材料，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对炭质原料进行预炭化处理；
步骤2、利用含钾盐或含钠盐的醇溶液在超临界条件下处理炭质原料；
采用含钾盐或含钠盐的醇溶液在超临界条件下处理炭质原料的温度为240～350℃，处理时间为0.5～5.0h；
步骤3、将超临界处理后的炭质原料进行高温热处理，热处理后清洗、干燥，得到超高比表面积多孔炭材料。


4.根据权利要求3所述的超高比表面积多孔炭材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤...

【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