以馬鈴薯為碳源制備高比表面積活性炭的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種以馬鈴薯為碳源制備高比表面積活性炭的方法。本發(fā)明采用馬鈴薯為原料，先預氧化得到預產物，而后炭化得到炭化物，將預產物或者炭化物與堿性介質混合均勻，在氬氣中活化，最后洗滌干燥后得到超高比表面積的活性炭。制備的活性炭的比表面積約為1000~3500m2g-1，孔體積1~2cm3g-1，平均孔徑為1~3nm，有望作為一種新型的多孔活性炭材料在電池、超級電容器、氣體吸附劑等領域得到廣泛應用。
【專利說明】以馬鈴薯為碳源制備高比表面積活性炭的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及活性炭材料的制備技術，具體為以生物質廢物資源一馬鈴薯制備高比表面積的活性炭的方法。

【背景技術】
[0002]活性炭是一種含炭材料，具有比表面積大，內部空隙結構發(fā)達，吸附能力強、耐酸堿、可再生等優(yōu)點，可廣泛的應用于化工、冶金、軍事防護、電池、環(huán)境保護等各個領域。圍繞活性炭的基礎和應用研究仍然是科學研究的重要課題之一。
[0003]活性炭原料的選擇一直是人們關注的熱點問題，因為這直接關系到材料的品質和后續(xù)應用。制備活性炭的原料種類繁多，目前商業(yè)應用和科學研究較多的主要有煤炭(A.G.Pandolfo, A.F.Hollenkamp, Journal of Power Sources, 2006, 157, 11-27)、石油焦(J.Wang, Μ.M.Chen, C.Y.Wang, J.Z.Wang, J.M.Zheng, Journal of PowerSources, 2011，196，550-558)、高分子聚合物(J.Yan, Tong, Wei, ff.M.Qiao, Z.J.Fan, L.J.Zhang, T.Y.Li, Q.K.Zhao, Electrochemistry Communicat1ns, 2010,12，1279-1282 )、生物質原料(木材(F.C.ffu, R.L.Tseng, C.C.Hu, C.C.Wang,Journal of Power Sources, 2004, 138, 351-359 )、杏殼(B.Xu, Y.F.Chen, G.Wei,
G.P.Cao, H.Zhang, Y.S.Yang, Materials Chemistry and Physics, 2010, 124,504-509)、谷殼(M.S Balathanigaimani, ff.G.Shin, M.J.Lee, C.Kim, J.ff.Lee,
H.Moon, Electrochemistry Communicat1ns, 2008, 10, 868-871 )、椰殼(李艷芳，梁大明，劉春蘭，君7矣緩發(fā)術，2009，15,5-13)等等)。這些碳源經過炭化和活化后，都能獲得一定比表面積的活性炭材料。相比較而言，生物質原料展示良好的應用前景，具有來源豐富、成本較低、可實現(xiàn)規(guī)?；a等優(yōu)點。但是目前利用上述提到的生物質原料制備的活性炭材料，比表面積仍較低，這就限制了它的潛在應用價值。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是提出一種利用生物質碳源一馬鈴薯制備出高比表面的活性材料的途徑，方法具有成本低，流程簡單，可大量制備等優(yōu)點，因此可作為一種適于制備高比表面積的活性炭的理想方法。
[0005]本發(fā)明的技術方案是:
本發(fā)明采用馬鈴薯為原料，先預氧化得到預產物A，而后炭化得到炭化物B，將預產物A或者炭化物B與堿性介質混合均勻，在氬氣中活化，最后洗滌干燥后得到超高比表面積的活性炭C或者活性炭D。
[0006]一種以馬鈴薯為碳源制備高比表面積活性炭的方法，其特征在于，具體步驟為:
A、馬鈴薯預氧化:將馬鈴薯干燥、脫水，然后在馬弗爐中預氧化，得到預產物A，預氧化溫度為 10(T800°C ；
B、炭化預產物:將產物A在管式爐中氬氣保護下，炭化預產物A，從而得到炭化物B，炭化升溫速度為I?20 V /min，炭化溫度為100?1000 °C，保溫時間為I?10 h ；
C、KOH活化:將預產物A或者炭化物B研磨，并與氫氧化鉀和水混合均勻，自然干燥后，轉入管式爐，在氬氣保護下，進行活化從而獲得高比表面積的活性炭C或者活性炭D，采用逐步升溫方法對預產物A或者炭化物B進行活化，升溫速度為f 20 V /min,活化溫度為500^1000 °C，保溫時間為flO h，將產物冷卻、洗滌至中性、干燥后得到活性炭。
[0007]本發(fā)明預氧化優(yōu)選溫度為10(T300°C，預氧化時間優(yōu)選為廣3 h。
[0008]本發(fā)明采用逐步升溫方法對預產物A進行炭化，升溫速度優(yōu)選為Γ10 °C /min,炭化溫度優(yōu)選為40(T800 °C，保溫時間優(yōu)選為1?3 h。
[0009]本發(fā)明采用逐步升溫方法對預產物A或者炭化物B進行活化，其中KOH與產物A的質量比為1:廣10:1，KOH與產物B的質量比為1:1?10:1。
[0010]本發(fā)明采用逐步升溫方法對預產物A或者炭化物B進行活化，升溫速度優(yōu)選為2?10 °C/min，活化溫度優(yōu)選為700?900 °C，保溫時間優(yōu)選為0.5?3 h。
[0011]本發(fā)明采用Micromeritics ASAP 2020測試了該系列活性炭材料的比表面積,制備的活性炭的比表面積約為100(T3500 m2 g_\孔體積廣2 Cm3g4，平均孔徑為廣3 nm，有望作為一種新型的多孔活性炭材料在電池、超級電容器、氣體吸附劑等領域得到廣泛應用。
[0012]本發(fā)明的特點及有益效果是:
實現(xiàn)生物質能源廢物再利用，整體工藝簡單，可控性強，選用的原料價格低廉，適合低成本、大規(guī)模生產；所制備的活性炭具有超高比表面積，孔體積較高，孔徑均一等優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為實施例1制備的活性炭的掃描電子顯微鏡照片。
[0014]圖2為實施例2制備的活性炭的掃描電子顯微鏡照片。
[0015]圖3為活性炭的吸脫附曲線。

【具體實施方式】
[0016]實施例1:
將冷凍干燥的馬鈴薯，取6 g放入馬弗爐中，在250 1:下預氧化兩小時，待冷卻至室溫。將得到的預氧化物放入管式爐當中，通入氬氣(40 sccm),以5 OmirT1升溫速度至600 °C，保溫兩小時，然后降至室溫，得到炭化馬鈴薯。稱取炭化后馬鈴薯衍生炭2 g，加入8 g KOH并直接研磨(樣品編號為AC-600-800，其中AC代表活性炭，600代表炭化馬鈴薯的溫度和800代表活化溫度)。將上述混合物在氬氣(40 sccm)保護下，以5 °C min—1升溫速度至800 °C，保溫一小時，然后降至室溫，取出活化產物，先用鹽酸清洗，然后用水洗滌多余的雜質和副產物，干燥后可得到超高比表面積活性炭材料AC-600-800。如圖3所示，所制備的上述樣品的吸脫附曲線為I型曲線，展示所制備的活性炭的孔為介孔結構，其比表面積為 2908 m2 g'
[0017]實施例2:
將冷凍干燥的馬鈴薯，取6 g放入馬弗爐中，在250 °C下進行預氧化兩小時，待冷卻至室溫。直接稱取2 g預氧化物馬鈴薯，加入8 g KOH直接研磨(樣品編號為AC-800，其中AC代表活性炭，800代表直接活化溫度)。將上述混合物在氬氣(40 sccm)保護下，以5 OmirT1升溫速度至800 °C，保溫一小時，然后降至室溫，取出活化產物，先用鹽酸清洗，然后用水洗滌多余的雜質和副產物，干燥后可得到超高比表面積活性炭材料AC-800。如圖3所示，上述所制備的樣品的吸脫附曲線為IV型曲線，展示所制備的活性炭的孔為介孔結構，其比表面積為 3285 m2 g 1O
[0018]電鏡觀察結果表明:通過炭化活化(AC-600-800)和直接活化(AC-800)所制備的多孔活性炭的微觀形貌呈現(xiàn)直徑為數(shù)納米至數(shù)十納米的小顆粒。氮氣吸脫附測試表明通過簡化制備工藝(無炭化步驟)所制備的多孔活性炭具有較高的比表面積和孔體積。
[0019]如圖1所示，通過實施例1制備的多孔活性炭AC-600-800的微觀表面均勻分布著數(shù)納米至數(shù)十納米的小顆粒，說明該方法可以制備高質量的活性炭材料。
[0020]如圖2所示，通過實施例2制備的多孔活性炭AC-800的微觀表面均勻分布著數(shù)納米至數(shù)十納米的小顆粒，說明該方法可以制備高質量的活性炭材料。
[0021]如圖3所示，實施例1中多孔活性炭AC-600-800脫附測試呈現(xiàn)I型曲線；實施例2中多孔活性炭AC-800脫附測試呈現(xiàn)IV型曲線。AC-600-800和AC-800的比表面積分別為2908 m2 g_1和3285 m2 g_1 ;相應的孔體積分別為1.3 cm3 g_1和1.8 cm3 g'表明通過簡化工藝，仍可獲得較高比表面積和孔體積的多孔活性炭材料。
【權利要求】
1.一種以馬鈴薯為碳源制備高比表面積活性炭的方法，其特征在于，具體步驟為: A、馬鈴薯預氧化:將馬鈴薯干燥、脫水，然后在馬弗爐中預氧化，得到預產物A，預氧化溫度為 10(T800°C ； B、炭化預產物:將產物A在管式爐中氬氣保護下，炭化預產物A，從而得到炭化物B，炭化升溫速度為I?20 V /min，炭化溫度為100?1000 °C，保溫時間為I?10 h ； C、KOH活化:將預產物A或者炭化物B研磨，并與氫氧化鉀和水混合均勻，自然干燥后，轉入管式爐，在氬氣保護下，進行活化從而獲得高比表面積的活性炭C或者活性炭D，采用逐步升溫方法對預產物A或者炭化物B進行活化，升溫速度為f 20 V /min,活化溫度為500^1000 °C，保溫時間為flO h，將產物冷卻、洗滌至中性、干燥后得到活性炭。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，預氧化溫度為10(T300°C，預氧化時間為f3h0
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，采用逐步升溫方法對預產物A進行炭化，升溫速度為4?10 °C/min，炭化溫度為400?800 °C，保溫時間為I?3 h。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，采用逐步升溫方法對預產物A或者炭化物B進行活化，其中KOH與產物A的質量比為1:1?10:1，KOH與產物B的質量比為1:1?10:1。
5.如權利要求1或4所述的方法，其特征在于，采用逐步升溫方法對預產物A或者炭化物B進行活化，升溫速度為2?10 V /min,活化溫度優(yōu)選70(Γ900 V，保溫時間為0.5^3 h。
【文檔編號】C01B31/12GK104445191SQ201310416168
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年9月13日 優(yōu)先權日:2013年9月13日
【發(fā)明者】閻興斌, 彭超, 王儒濤, 郎俊偉, 薛群基 申請人:中國科學院蘭州化學物理研究所