本發(fā)明屬于納米碳材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多孔碳的制備方法。

背景技術(shù)：

多孔碳是一類典型的功能型納米碳材料。多孔碳主要應(yīng)用于清潔能源儲存(氫氣、天然氣和電能儲存(如超級電容器)的介質(zhì)，催化劑載體、飲用水凈化劑、毒氣的高效吸附劑及色譜柱中的填料等方面。研究和開發(fā)多孔碳材料及其應(yīng)用引起了國內(nèi)外學(xué)者的極大關(guān)注，目前多孔碳也已成為近20年來世界碳材料行業(yè)中競相開發(fā)的新型碳材料。

目前制備多孔碳的方法主要有活化法和模板法等。其中活化法的主流路線是利用活化劑對碳材料的刻蝕作用形成多孔結(jié)構(gòu)?；罨瘎┑姆N類很多，主要包括KOH、NaOH、K₂CO₃、CO₂和空氣等。其中KOH造孔效果最好，其它活化劑在孔結(jié)構(gòu)調(diào)控能力方面較KOH差。因此對于多孔碳的制備，目前大多采用KOH對原材料進行活化。盡管KOH活化碳質(zhì)前驅(qū)體能夠制備多孔碳已有較長研究歷史，但其工業(yè)化生產(chǎn)依然存在技術(shù)問題、安全問題和環(huán)境問題。比如KOH活化法生產(chǎn)多孔碳活化過程中，會有大量的單質(zhì)鉀生成。而KOH活化的活化溫度一般在800℃左右，高于鉀的沸點，因此生產(chǎn)過程中會有大量單質(zhì)鉀逸出活化爐。鉀是一種非?；顫姷慕饘賳钨|(zhì)，遇到空氣中的水分發(fā)生反應(yīng)生成氫氣，并釋放大量的熱，以致產(chǎn)生爆炸，給多孔碳的生產(chǎn)帶來了巨大安全隱患。同時，單質(zhì)鉀在逸出過程中，會部分冷凝在活化爐的管道中，堵塞管道，也會給安全生產(chǎn)帶來隱患。

模板法是在碳源前驅(qū)體物質(zhì)高溫碳化前，或碳源前驅(qū)體物質(zhì)形成過程中混入特定的物質(zhì)作為模板劑，形成碳源前驅(qū)體與模板劑的混合物，使得碳化在模板劑形成的空間網(wǎng)絡(luò)中進行，碳化后去除模板劑，獲得具有多孔結(jié)構(gòu)的碳材料。模板法不存在安全隱患問題，但與活化法相比，模板法存在的問題是造孔的均勻性難以控制，這在很大程度上取決于模板劑與碳源前驅(qū)體的混合均勻性，而這一點在大規(guī)模制備中是很難實現(xiàn)的。

因此，如何提供一種工藝簡單、安全環(huán)保的多孔碳制備技術(shù)，同時保證活性炭孔結(jié)構(gòu)的均勻性和可控性，以實現(xiàn)多孔碳的大規(guī)模生產(chǎn)，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的一個重要技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種多孔碳的制備方法，用于解 決現(xiàn)有技術(shù)中多孔碳的制備不夠環(huán)保，造孔均勻性難以控制的問題。

為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種多孔碳的制備方法，包括以下步驟：

在預(yù)設(shè)溫度下熱解金屬醇鹽，獲得多孔碳與無機鹽或氧化物的混合物；

用溶劑洗滌所述混合物，以去除所述混合物中的無機鹽或氧化物，并收集得到所述多孔碳。

可選地，所述金屬醇鹽包括甲醇鉀、甲醇鈉、甲醇鉀、乙醇鈉、乙醇酸鈉、乙醇鉀、乙醇鎂中的一種或多種。

可選地，所述預(yù)設(shè)溫度的范圍是200～3100℃，熱解時間為1～600min。

可選地，所述溶劑包括水、稀鹽酸、乙醇、甲醇、異丙醇中的一種或多種。

可選地，熱解金屬醇鹽的方法包括：將金屬醇鹽粉體置于容器中，并通過加熱裝置加熱。

可選地，所述加熱裝置包括馬弗爐或微波爐。

可選地，熱解氣氛包括空氣氣氛、惰性氣體氣氛或真空氣氛。

可選地，通過過濾收集得到所述多孔碳。

可選地，進一步將所述多孔碳干燥。

可選地，所述干燥的方法包括直接烘干、真空干燥、冷凍干燥或噴霧干燥。

如上所述，本發(fā)明的多孔碳的制備方法，具有以下有益效果：本發(fā)明的多孔碳的制備方法工藝條件溫和、步驟簡單，主要利用金屬醇鹽在熱解過程中同時生成熱解碳和無機鹽或氧化物，二者在分子尺度上混合均勻，原位生成的無機鹽或氧化物充當(dāng)造孔劑和活化劑，從而獲得具有均勻微納米孔結(jié)構(gòu)和高比表面積的多孔碳材料。由于本發(fā)明制備的多孔碳具有孔結(jié)構(gòu)均勻、可控的特點，因此特別適合高質(zhì)量多孔碳的規(guī)?；a(chǎn)。

附圖說明

圖1顯示為本發(fā)明的多孔碳的制備方法的工藝流程圖。

圖2顯示為本發(fā)明的多孔碳的制備方法于實施例一中制備所得多孔碳的SEM圖。

圖3顯示為本發(fā)明的多孔碳的制備方法于實施例一中制備所得多孔碳的TEM圖。

圖4顯示為本發(fā)明的多孔碳的制備方法于實施例一中制備所得多孔碳的氮氣吸附-脫附曲線。

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加 以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱圖1至圖4。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。

本發(fā)明提供一種多孔碳的制備方法，包括以下步驟：

在預(yù)設(shè)溫度下熱解金屬醇鹽，獲得多孔碳與無機鹽或氧化物的混合物；

用溶劑洗滌所述混合物，以去除所述混合物中的無機鹽或氧化物，并收集得到所述多孔碳。

具體的，所述金屬醇鹽包括甲醇鉀、甲醇鈉、甲醇鉀、乙醇鈉、乙醇酸鈉、乙醇鉀、乙醇鎂中的一種或多種。熱解金屬醇鹽時，可將金屬醇鹽粉體置于容器中，并通過加熱裝置加熱。所述容器為耐熱材質(zhì)、如陶瓷、石墨、金屬、碳化硅等，加熱過程中所述容器可開口，也可以加蓋。所述加熱裝置包括但不限于馬弗爐或微波爐。其中，馬弗爐是一種通用的加熱設(shè)備，依據(jù)外觀形狀可分為箱式爐、管式爐、坩堝爐。采用微波爐加熱時，所述容器的材料優(yōu)選采用碳化硅，碳化硅(SiC)是一種化學(xué)活性較低的物質(zhì)，具有高導(dǎo)熱性，能夠強烈吸收微波能量，可以提高微波爐加熱效果。

熱解時，所述預(yù)設(shè)溫度的范圍是200～3100℃，熱解時間為1～600min。熱解氣氛可以為空氣氣氛、惰性氣體氣氛、真空氣氛或其它混合氣體氣氛，只要熱解時能生成多孔碳即可，此處不應(yīng)過分限制本發(fā)明的保護范圍。

由于本發(fā)明的方法在熱解過程中同時生成熱解碳和無機鹽或氧化物，二者在分子尺度上混合均勻，原位生成的無機鹽或氧化物充當(dāng)造孔劑和活化劑，后續(xù)通過洗滌去除所述無機鹽或氧化物，即可獲得具有均勻微納米孔結(jié)構(gòu)和高比表面積的多孔碳材料。

具體的，熱解結(jié)束后進行洗滌時，所采用的溶劑可包括水、稀鹽酸(即質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于20％的鹽酸)、乙醇、甲醇、異丙醇中的一種或多種。可將熱解產(chǎn)物直接放入溶劑中進行洗滌，洗滌次數(shù)為至少一次。洗滌過程中，熱解產(chǎn)生的無機鹽或氧化物將會溶解于溶劑中，而多孔碳為不溶物，洗滌完畢后即可收集得到多孔碳。

具體的，可通過過濾收集得到所述多孔碳，并進一步將所述多孔碳干燥，得到多孔碳粉體。如圖1所示，顯示為本發(fā)明的多孔碳的制備方法的工藝流程圖。所述干燥的方法包括直接烘干、真空干燥、冷凍干燥或噴霧干燥。其中，直接烘干是指在空氣氣氛、常壓下采用烘箱烘干，烘箱溫度最好不超過150℃；真空干燥又稱減壓干燥，是在密閉的容器中抽去空氣， 減壓而進行干燥的一種方法；冷凍干燥又稱升華干燥，物料可先在冷凍裝置內(nèi)冷凍，再進行真空干燥，也可直接在干燥室內(nèi)經(jīng)迅速抽成真空而冷凍，升華過程中所需的汽化熱量，一般用熱輻射供給；噴霧干燥是于干燥室中將稀料經(jīng)霧化后，在與熱空氣的接觸中，水分迅速汽化，即得到干燥產(chǎn)品，該法能直接使溶液、乳濁液干燥成粉狀或顆粒狀制品，可省去蒸發(fā)、粉碎等工序。當(dāng)然，也可采用其它常規(guī)干燥方法，此處不應(yīng)過分限制本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明的多孔碳的制備方法工藝條件溫和、步驟簡單，制備得到的多孔碳孔結(jié)構(gòu)均勻、可控，特別適合高質(zhì)量多孔碳的規(guī)?；a(chǎn)。

下面通過具體的實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

實施例一

將一定量的甲醇鉀粉體放置于陶瓷坩堝中，并置于400℃馬弗爐中保溫4h，獲得灰色固體產(chǎn)物，該產(chǎn)物包括碳酸鉀和多孔碳。然后利用離子水反復(fù)洗滌上述固體產(chǎn)物，過濾收集得到黑色固體產(chǎn)物。冷凍干燥上述固體產(chǎn)物，得到黑色的多孔碳粉體。

請參閱圖2及3，分別顯示為本實施例中所得多孔碳粉體的SEM圖及TEM圖，可見，所述粉體結(jié)構(gòu)中存在大量納米孔道。

請參閱圖4，顯示為本實施例中所得多孔碳粉體的氮氣吸附-脫附曲線，其橫坐標(biāo)為相對壓力P/P₀，其中P為氣體的真實壓力，P₀為氣體在測量溫度下的飽和蒸汽壓；縱坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下吸附在多孔碳孔道中的氮氣分子的體積，即吸附量，其中，cm³為體積單位立方厘米，g為質(zhì)量單位克。

測試結(jié)果表明，所得粉體結(jié)構(gòu)的BET比表面積為2800m²/g，其中，BET比表面積是BET比表面積測試法的簡稱，BET是三位科學(xué)家(Brunauer、Emmett和Teller)的首字母縮寫，BET比表面積測試可用于測顆粒的比表面積、孔容、孔徑分布以及氮氣吸附脫附曲線。本實施例中，所得多孔碳粉體的孔徑分布是0.5～10nm，平均孔徑為3nm。

實施例二

將一定量的甲醇鉀粉體置于800℃馬弗爐中保溫5h，獲得灰色固體產(chǎn)物，該產(chǎn)物包括碳酸鉀和多孔碳。利用離子乙醇反復(fù)洗滌上述固體產(chǎn)物，過濾收集得到黑色固體產(chǎn)物。真空干燥上述固體產(chǎn)物，得到黑色的多孔碳粉體。

實施例三

將一定量的乙醇鎂置于1500℃馬弗爐中保溫8h，獲得灰色固體產(chǎn)物，該產(chǎn)物包括氧化鎂 和多孔碳。利用稀鹽酸反復(fù)洗滌上述固體產(chǎn)物，過濾收集得到黑色固體產(chǎn)物。烘干上述固體產(chǎn)物，得到黑色的多孔碳粉體。

實施例四

將一定量的乙醇鉀置于2100℃馬弗爐中保溫2h，獲得灰色固體產(chǎn)物，該產(chǎn)物包括碳酸鉀和多孔碳。利用離子水反復(fù)洗滌上述固體產(chǎn)物，過濾收集得到黑色固體產(chǎn)物。真空干燥上述固體產(chǎn)物，得到黑色的多孔碳粉體。

綜上所述，本發(fā)明的多孔碳的制備方法工藝條件溫和、步驟簡單，主要利用金屬醇鹽在熱解過程中同時生成熱解碳和無機鹽或氧化物，二者在分子尺度上混合均勻，原位生成的無機鹽或氧化物充當(dāng)造孔劑和活化劑，從而獲得具有均勻微納米孔結(jié)構(gòu)和高比表面積的多孔碳材料。由于本發(fā)明制備的多孔碳具有孔結(jié)構(gòu)均勻、可控的特點，因此特別適合高質(zhì)量多孔碳的規(guī)?；a(chǎn)。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。