一种超高比表面积储氢活性炭、制备方法及应用技术

本发明专利技术提供一种超高比表面积储氢活性炭、制备方法及应用：利用限域空间法对碳前驱体进行高温活化，不仅有效防止化学活化剂腐蚀设备，且形成的密闭体系可充分利用活化产生的气体，实现“一体”双重反复活化，使得活性炭的比表面积≧4090m2g

【技术实现步骤摘要】
一种超高比表面积储氢活性炭、制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及活性炭制备方法，尤其涉及一种超高比表面积储氢活性炭、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]由于化石燃料濒临枯竭且对环境造成严重危害，因此，全球能源危机日渐增加，氢能作为前瞻谋划的六大未来产业之一，因燃烧效率高、可再生、对环境友好，且为促进“碳达峰”和“碳中和”目标的实现，氢能成为可替代化石燃料的理想能源。但由于氢气的密度极低，储存是发展氢能源最主要的瓶颈。活性炭因具有较高的储存容量、可逆性和快速动力学等优点，所以，其是目前广泛商业化应用于储氢的材料之一。
[0003]生物质不仅具有丰富的碳源、高比表面积以及易于调控的孔隙度，更具有数量庞大、来源广泛、价格低廉且可再生等优势，所以，生物质是目前制备活性炭的优质材料，制备工艺是以生物质作为前驱体，通过物理活化或者化学活化使其具有高比表面积和丰富的孔结构。由于化学活化剂KOH、NaOH、H2PO4等都是腐蚀性试剂，因此，为避免活化过程严重腐蚀设备且减少活化剂的用量并降低活化所需温度，本专利技术提出限域空间内进行活化，不仅能一步实现物理和化学活化同时进行，还可充分反复利用活化产生的气体，即达到“一体”双重反复活化，并且该活化过程不造成尾气污染。所以，限域空间内制备活性炭材料的发展变得尤为重要。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种超高比表面积储氢活性炭、制备方法及应用，本专利技术采用工艺简单、绿色环保、经济高效的方法制备出了超高比表面积活性炭，该活性炭的孔结构和比表面积可调，并且具有较高的储氢容量。
[0005]一种超高比表面积储氢活性炭，其特征在于：所述活性炭具有三维多级孔结构，活性炭的比表面积≥4090m2g
‑1，微孔孔容为0.3
‑
1.69cm3g
‑1，在温度为77K、压力为80bar时活性炭的储氢量≥7.40wt％。
[0006]所述的一种超高比表面积储氢活性炭的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)将生物质加热酸洗，再水洗至中性后烘干备用；
[0008](2)在惰性保护气氛下，将步骤(1)中得到的生物质进行预碳化，得到碳前驱体；
[0009](3)将步骤(2)得到的碳前驱体与化学活化剂充分研磨混合后装入限域反应器内，待排出限域反应器内所有空气后密封，进行物理活化、化学活化双重活化反应；
[0010](4)将限域反应器在惰性保护气氛下进行高温加热，取出产物，经酸洗、水洗、干燥后得到活性炭。
[0011]在步骤(1)中，所述生物质是木屑、花生壳、废纸屑中的一种。
[0012]在步骤(2)中，所述预碳化温度为350
‑
500℃，预碳化保温时间为100min
‑
140min。
[0013]在步骤(3)中，化学活化剂是KOH、NaOH中的一种，化学活化剂与所述碳前驱体的质
量比为2:1
‑
5:1。
[0014]在步骤(3)中，所述活化反应在限域空间内进行，其形成的密闭体系能充分利用活化产生的气体，实现一个体系内物理活化、化学活化双重反复进行。
[0015]在步骤(4)中，所述高温加热的温度为600℃
‑
800℃，高温加热的保温时间为90min
‑
150min。
[0016]在步骤(2)和步骤(4)中，惰性保护气氛为氮气、氩气、氦气中的一种。
[0017]所述的活性炭材料在储氢领域中的应用。
[0018]和现有技术相比较，本专利技术至少具有以下优点：
[0019]本活性炭材料，具有丰富的官能团、可调控比表面积和孔道结构，在温度77K、压力80bar时活性炭的储氢量≧7.40wt％，高于美国能源部规定的储氢材料的储氢质量标准，且所使用原料来源丰富、工艺简单、成本低廉，易于实现工业化应用，为促进碳材料储氢产业技术规模化提供新思路。
[0020]采用限域空间法对碳前驱体进行高温活化，实现碳前驱体的活化过程在密闭空间内进行，从而制备出超高比表面积活性炭，限域空间内活化不仅能防止活化剂腐蚀设备，同时可充分利用活化过程产生的水蒸气和CO2等气体，实现化学活化、物理活化同时且反复进行，进而可调控碳材料的比表面积和孔结构，此外，相比于传统活化方法，该过程清洁无污染，可为发展新型绿色储氢活性炭提供新方法。
附图说明
[0021]图1是本专利技术实施例1制备的活性炭材料的氮气等温吸附/解析测试结果；
[0022]图2是本专利技术实施例1制备的活性炭材料的孔径分布测试结果；
[0023]图3是本专利技术实施例1制备的活性炭材料的XRD测试结果；
[0024]图4a和图4b分别是本专利技术实施例1制备的活性炭材料的10μm和100μmSEM图；
[0025]图5a、图5b、图5c和图5d分别是本专利技术实施例1制备的活性炭材料的XPS总谱图、C 1s谱图、O 1s谱图和N1s谱图；
[0026]图6是本专利技术实施例1制备的活性炭材料在77K、0
‑
80bar的吸氢测试结果。
[0027]图7是本专利技术实施例2制备的活性炭材料的氮气等温吸附/解析测试结果；
[0028]图8是本专利技术实施例2制备的活性炭材料的孔径分布测试结果；
[0029]图9是本专利技术实施例2制备的活性炭材料的XRD测试结果；
[0030]图10是本专利技术实施例3制备的活性炭材料的氮气等温吸附/解析测试结果；
[0031]图11是本专利技术实施例3制备的活性炭材料的孔径分布测试结果；
[0032]图12是本专利技术实施例3制备的活性炭材料的XRD测试结果；
[0033]图13是本专利技术实施例4制备的活性炭材料的氮气等温吸附/解析测试结果；
[0034]图14是本专利技术实施例4制备的活性炭材料的孔径分布测试结果；
[0035]图15是本专利技术实施例4制备的活性炭材料的XRD测试结果。
具体实施方式
[0036]下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。但应理解的是，以下实施例仅用于说明本专利技术的目的，但不用来限制本专利技术的范围。
[0037]实施例1
[0038]将木屑进行酸洗，即加入盐酸后进行水浴恒温磁力搅拌，再水洗至pH为中性后烘干，称量5g酸洗处理后的样品进行预碳化，在氮气保护气氛下，分别加热到350℃、400℃和500℃，并保温120min，然后自然冷却至室温得到碳前驱体，命名为PSC；将氢氧化钾与PSC以质量比4:1充分研磨混合，再将其装入自制的限域反应器内，然后将限域反应器置于手套箱中，待排出限域反应器内所有空气后进行密封；将反应器在氮气气氛下加热到700℃，并保温120min，然后等反应器自然冷却至室温后取出产物，用盐酸对其进行酸洗除杂，再用蒸馏水洗至pH为中性后烘干即可得到木屑衍生活性炭，将样品命名为PSACT
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超高比表面积储氢活性炭，其特征在于：所述活性炭具有三维多级孔结构，活性炭的比表面积≥4090m2g
‑1，微孔孔容为0.3
‑
1.69cm3g
‑1，在温度为77K、压力为80bar时活性炭的储氢量≥7.40wt％。2.权利要求1所述的一种超高比表面积储氢活性炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将生物质加热酸洗，再水洗至中性后烘干备用；(2)在惰性保护气氛下，将步骤(1)中得到的生物质进行预碳化，得到碳前驱体；(3)将步骤(2)得到的碳前驱体与化学活化剂充分研磨混合后装入限域反应器内，待排出限域反应器内所有空气后密封，进行物理活化、化学活化双重活化反应；(4)将限域反应器在惰性保护气氛下进行高温加热，取出产物，经酸洗、水洗、干燥后得到活性炭。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述生物质是木屑、花生壳、废纸屑中的一种。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在步骤(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：张慧，李娴，白红存，田虎，
申请(专利权)人：宁夏大学，
类型：发明
国别省市：