一种多孔炭材料的制备方法技术

一种多孔炭材料的制备方法，属于化工及能源领域。所述方法为：将炭源材料干燥后粉碎，粒度大小以通过50目筛为准，得到多孔炭前驱体；称取活化剂，将活化剂粉末溶于去离子水，并加入钝化剂，配制成悬浮溶液；将多孔炭前驱体浸泡于该溶液中搅拌均匀，随后蒸干去离子水，得到混合物，转移至密封的且具有惰性气氛保护的电炉中，电炉以5

【技术实现步骤摘要】
一种多孔炭材料的制备方法


[0001]本专利技术属于化工及能源领域，具体涉及一种多孔炭材料的制备方法。

技术介绍

[0002]多孔炭，也称活性炭，是一类功能性碳材料，广泛用于污水处理、环境保护、催化化工及能源等领域。通常而言，多孔炭材料一般希望具备以下特征：孔径分布均一、孔结构发达、孔容大及比表面积大。各领域商业化应用的多孔炭材料，孔径分布上，根据应用领域不同而不同，通常而言在孔径分布均一的基础上，一般比表面积均在1000m2/g以上。一般来说，当多孔炭应用于电容器中，比表面积越大，各方面的性能越好。另外，传统的制备多孔炭材料的方法中，为了获得较大的比表面积，炭化温度不高，一般不超过1000度，石墨化度较低，无法获得相对整齐归一的碳六圆环结构，大π键成键较弱，电子导电性很差。在制作成储能装置时，往往需要加入大量导电剂以提高电子电导能力。这种外加的导电剂与多孔炭颗粒之间是一种物理接触且混合过程中易出现团聚等不均匀情况，电子电导提升有限。
[0003]另外，比表面积越大，使得支撑孔结构的平均孔壁厚度则越小。对于以下应用场景：将多孔炭材料作为一种储能材料的载体，与其复合制得碳复合材料，此时如果多孔炭比表面过大，会使得平均孔壁厚度相对较薄，导致在储能应用时体积膨胀过大造成孔结构坍塌撑破的可能，造成使用过程中性能劣化。[Activated
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phosphorus as new electrode material for Li
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ion batteries.C.Marino,A.Debenedetti,B.Fraisse,F.Favier,L.Monconduit.Electrochemistry Communications 13(2011)346
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349；Rational Assembly of Hollow Microporous Carbon Spheres as P Hosts for Long
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Life Sodium
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Ion Batteries.S.Yao,J.Cui,J.Huang,J.Huang,W
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G.Chong,L.Qin,Y
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W.Mai,J
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K.Kim,Adv.Energy Mater.2018,8,1702267.]。此时比表面越大，则平均孔壁厚度越薄，所吸附物质在膨胀过程中存在孔结构撑破的可能。而单纯的采用提高碳化温度，例如碳化温度在1200度以上[Buiel E R，George A E，Dahn J R.Model of micropore closure in hard carbon prepared from sucrose[J].Carbon，1999，37(9)：1399
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1407.]，也可以使得碳原子结构有序度提高，电子电导率提升，但同时会使得孔结构发生大面积的结构塌陷，中大孔比例增多，此时尽管比表面也会下降，但孔壁厚难以保障，仍无法满足要求。综上，在这类特殊领域，需要使用孔结构分布及孔径分布均一，孔径在1
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10nm之间，且比表面积适中、孔壁壁厚较厚的多孔炭材料(比表面积在200～800m2/g)，同时要求多孔碳材料具有尽可能高的本征电子电导，从原子尺度提高复合之后材料的电子电导率。满足这些要求的多孔炭材料，由于孔容并不大，因此平均孔壁厚度相对更大，孔壁支撑强度更高，可以满足这些特殊的应用需求。
[0004]传统的制备多孔炭材料的方法中，多采用NaOH或KOH或高温水蒸气作为活性剂，与多孔炭前驱体充分混合接触，在高温下反应进行活化造孔反应。传统的多孔炭活化工艺为了获得尽可能大的比表面积，一般来说活化剂的浓度和使用量较大，其与多孔炭原料的质量比往往>1，使得造孔过程反应非常剧烈，不易控制活化反应强度，得到的多孔炭材料一般
均在1000m2/g以上，无法制得中低比表面、且具有均匀孔分布的多孔碳材料。

技术实现思路

[0005]本专利技术的第一目的是为了解决传统的多孔炭材料制备工艺，无法制得具有1
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10nm孔径、孔径分布均一且比表面积在200～800m2/g的问题，提供一种多孔炭材料的制备方法，该方法采用活化剂钝化技术，实现了具有中低比表面积多孔炭的制备，孔径分布均一，主要在1
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10nm之间，比表面积300
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1000m2/g，孔容占总孔容约40％以上，总孔容为0.2～0.5cm3/g，微孔孔容0.1～0.3cm3/g，且孔结构分布均匀，孔结构具有更大的壁厚，可用作制备各类多孔复合材料。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案一如下：
[0007]一种多孔炭材料的制备方法，采用改性碱活化法，所述方法具体为：
[0008]步骤一：将炭源材料干燥后粉碎，粒度大小以通过50目筛为准，得到多孔炭前驱体；
[0009]步骤二：称取活化剂，活化剂与多孔炭前驱体质量比为1：1～100；称取后，将活化剂粉末溶于去离子水，并加入钝化剂，配制成悬浮溶液；将多孔炭前驱体浸泡于该溶液中搅拌均匀，随后进行加热蒸煮，直至蒸干去离子水，得到活化剂、钝化剂与多孔炭前驱体混合均匀的混合物，转移至密封的且具有惰性气氛保护的电炉中，电炉以5
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20℃/min的速率升温至650
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950℃进行活化，活化时间0.5
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2h，活化后自然冷却至室温，得活化料；
[0010]步骤三：采用酸溶液洗涤上述活化料至水洗液pH值在8
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9之间，最后再用去离子水洗涤至水洗液pH值在7
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7.5之间，烘干后得到多孔炭材料。
[0011]本专利技术多孔炭制备方法中，采用钝化剂以及配制成稀溶液结合的活化剂钝化技术，使得多孔炭前驱体颗粒表面所接触的活化剂浓度适当降低，活化过程中单个炭颗粒生长的孔的平均数量得以有效控制，实现了中低比表面、且孔分布均匀的多孔炭的制备。由于单个炭颗粒所拥孔的平均数量的减少，孔与孔之间的炭壁厚度则更大。
[0012]进一步地，步骤一中，所述炭源为无烟煤、石油焦、生物质中的一种或几种，所述生物质为椰壳炭化料、果壳炭化料、稻壳炭化料中的一种或几种；所述生物质经预碳化处理，所述预炭化处理为本领域公知的方法，生物质优选椰壳炭化料；所述干燥为蒸干、烘干或晒干，若采用蒸干方法，温度为50～160℃，优选干燥温度为70～130℃，干燥程度以含水率<15wt.％为准；所述干燥进一步优选在真空条件下进行，真空度低于10Pa。
[0013]进一步地，步骤二中，所述活化剂为碳酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙、氯化锌中的一种或几种，优选为氢氧化钾；混合方式为机械混合或浸渍法，优选机械混合；所述悬浮溶液中，活性剂和钝化剂所占溶液总质量浓度为5％～15％；所述活化剂与多孔炭前驱体的质量比为1:2～50，优选为1:2～10。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔炭材料的制备方法，其特征在于：所述方法具体为：步骤一：将炭源材料干燥后粉碎，粒度大小以通过50目筛为准，得到多孔炭前驱体；步骤二：称取活化剂，活化剂与多孔炭前驱体质量比为1：1～100；称取后，将活化剂粉末溶于去离子水，并加入钝化剂，配制成悬浮溶液；将多孔炭前驱体浸泡于该溶液中搅拌均匀，随后进行加热蒸煮，直至蒸干去离子水，得到活化剂、钝化剂与多孔炭前驱体混合均匀的混合物，转移至密封的且具有惰性气氛保护的电炉中，电炉以5
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20℃/min的速率升温至650
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950℃进行活化，活化时间0.5
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2h，活化后自然冷却至室温，得活化料；步骤三：采用酸溶液洗涤上述活化料至水洗液pH值在8
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9之间，最后再用去离子水洗涤至水洗液pH值在7
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7.5之间，烘干后得到多孔炭材料。2.根据权利要求1所述的一种多孔炭材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述炭源为无烟煤、石油焦、生物质中的一种或几种，所述生物质为椰壳炭化料、果壳炭化料、稻壳炭化料中的一种或几种；所述生物质经预碳化处理；所述干燥为蒸干、烘干或晒干，干燥程度以含水率&lt;15wt.％为准。3.根据权利要求1所述的一种多孔炭材料的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述活化剂为碳酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙、氯化锌中的一种或几种，混合方式为机械混合或浸渍法；所述悬浮溶液中，活性剂和钝化剂所占溶液总质量浓度为5％～15％；所述活化剂与多孔炭前驱体的质量比为1:2～50。4.根据权利要求1所述的一种多孔炭材料的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述钝化剂为SiC、SiO2中的一种或多种；所述钝化剂的粒度中位径D50范围为0.05～5μm；所述钝化剂与活化剂的质量比为1:1～10；所述惰性气氛为氮气、氦气或氩气中的一种或多种；所述活化温度为750～870℃，活化时间为0.5～1h。5.根据权利要求1所述的一种多孔炭材料的...

【专利技术属性】
技术研发人员：林立，
申请(专利权)人：林立，
类型：发明
国别省市：