一种多孔碳的制备方法与流程

本发明属于纳米碳材料制备技术领域，涉及一种多孔碳的制备方法。

背景技术：

多孔碳是一类典型的功能型纳米碳材料。多孔碳主要应用于清洁能源储存(氢气、天然气和电能储存(如超级电容器)的介质，催化剂载体、饮用水净化剂、毒气的高效吸附剂及色谱柱中的填料等方面。研究和开发多孔碳材料及其应用引起了国内外学者的极大关注，目前多孔碳也已成为近20年来世界碳材料行业中竞相开发的新型碳材料。

目前制备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线是利用活化剂对碳材料的刻蚀作用形成多孔结构。活化剂的种类很多，主要包括KOH、NaOH、K₂CO₃、CO₂和空气等。其中KOH造孔效果最好，其它活化剂在孔结构调控能力方面较KOH差。因此对于多孔碳的制备，目前大多采用KOH对原材料进行活化。尽管KOH活化碳质前驱体能够制备多孔碳已有较长研究历史，但其工业化生产依然存在技术问题、安全问题和环境问题。比如KOH活化法生产多孔碳活化过程中，会有大量的单质钾生成。而KOH活化的活化温度一般在800℃左右，高于钾的沸点，因此生产过程中会有大量单质钾逸出活化炉。钾是一种非常活泼的金属单质，遇到空气中的水分发生反应生成氢气，并释放大量的热，以致产生爆炸，给多孔碳的生产带来了巨大安全隐患。同时，单质钾在逸出过程中，会部分冷凝在活化炉的管道中，堵塞管道，也会给安全生产带来隐患。

模板法是在碳源前驱体物质高温碳化前，或碳源前驱体物质形成过程中混入特定的物质作为模板剂，形成碳源前驱体与模板剂的混合物，使得碳化在模板剂形成的空间网络中进行，碳化后去除模板剂，获得具有多孔结构的碳材料。模板法不存在安全隐患问题，但与活化法相比，模板法存在的问题是造孔的均匀性难以控制，这在很大程度上取决于模板剂与碳源前驱体的混合均匀性，而这一点在大规模制备中是很难实现的。

因此，如何提供一种工艺简单、安全环保的多孔碳制备技术，同时保证活性炭孔结构的均匀性和可控性，以实现多孔碳的大规模生产，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多孔碳的制备方法，用于解 决现有技术中多孔碳的制备不够环保，造孔均匀性难以控制的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种多孔碳的制备方法，包括以下步骤：

在预设温度下热解金属醇盐，获得多孔碳与无机盐或氧化物的混合物；

用溶剂洗涤所述混合物，以去除所述混合物中的无机盐或氧化物，并收集得到所述多孔碳。

可选地，所述金属醇盐包括甲醇钾、甲醇钠、甲醇钾、乙醇钠、乙醇酸钠、乙醇钾、乙醇镁中的一种或多种。

可选地，所述预设温度的范围是200～3100℃，热解时间为1～600min。

可选地，所述溶剂包括水、稀盐酸、乙醇、甲醇、异丙醇中的一种或多种。

可选地，热解金属醇盐的方法包括：将金属醇盐粉体置于容器中，并通过加热装置加热。

可选地，所述加热装置包括马弗炉或微波炉。

可选地，热解气氛包括空气气氛、惰性气体气氛或真空气氛。

可选地，通过过滤收集得到所述多孔碳。

可选地，进一步将所述多孔碳干燥。

可选地，所述干燥的方法包括直接烘干、真空干燥、冷冻干燥或喷雾干燥。

如上所述，本发明的多孔碳的制备方法，具有以下有益效果：本发明的多孔碳的制备方法工艺条件温和、步骤简单，主要利用金属醇盐在热解过程中同时生成热解碳和无机盐或氧化物，二者在分子尺度上混合均匀，原位生成的无机盐或氧化物充当造孔剂和活化剂，从而获得具有均匀微纳米孔结构和高比表面积的多孔碳材料。由于本发明制备的多孔碳具有孔结构均匀、可控的特点，因此特别适合高质量多孔碳的规模化生产。

附图说明

图1显示为本发明的多孔碳的制备方法的工艺流程图。

图2显示为本发明的多孔碳的制备方法于实施例一中制备所得多孔碳的SEM图。

图3显示为本发明的多孔碳的制备方法于实施例一中制备所得多孔碳的TEM图。

图4显示为本发明的多孔碳的制备方法于实施例一中制备所得多孔碳的氮气吸附-脱附曲线。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种多孔碳的制备方法，包括以下步骤：

在预设温度下热解金属醇盐，获得多孔碳与无机盐或氧化物的混合物；

用溶剂洗涤所述混合物，以去除所述混合物中的无机盐或氧化物，并收集得到所述多孔碳。

具体的，所述金属醇盐包括甲醇钾、甲醇钠、甲醇钾、乙醇钠、乙醇酸钠、乙醇钾、乙醇镁中的一种或多种。热解金属醇盐时，可将金属醇盐粉体置于容器中，并通过加热装置加热。所述容器为耐热材质、如陶瓷、石墨、金属、碳化硅等，加热过程中所述容器可开口，也可以加盖。所述加热装置包括但不限于马弗炉或微波炉。其中，马弗炉是一种通用的加热设备，依据外观形状可分为箱式炉、管式炉、坩埚炉。采用微波炉加热时，所述容器的材料优选采用碳化硅，碳化硅(SiC)是一种化学活性较低的物质，具有高导热性，能够强烈吸收微波能量，可以提高微波炉加热效果。

热解时，所述预设温度的范围是200～3100℃，热解时间为1～600min。热解气氛可以为空气气氛、惰性气体气氛、真空气氛或其它混合气体气氛，只要热解时能生成多孔碳即可，此处不应过分限制本发明的保护范围。

由于本发明的方法在热解过程中同时生成热解碳和无机盐或氧化物，二者在分子尺度上混合均匀，原位生成的无机盐或氧化物充当造孔剂和活化剂，后续通过洗涤去除所述无机盐或氧化物，即可获得具有均匀微纳米孔结构和高比表面积的多孔碳材料。

具体的，热解结束后进行洗涤时，所采用的溶剂可包括水、稀盐酸(即质量分数低于20％的盐酸)、乙醇、甲醇、异丙醇中的一种或多种。可将热解产物直接放入溶剂中进行洗涤，洗涤次数为至少一次。洗涤过程中，热解产生的无机盐或氧化物将会溶解于溶剂中，而多孔碳为不溶物，洗涤完毕后即可收集得到多孔碳。

具体的，可通过过滤收集得到所述多孔碳，并进一步将所述多孔碳干燥，得到多孔碳粉体。如图1所示，显示为本发明的多孔碳的制备方法的工艺流程图。所述干燥的方法包括直接烘干、真空干燥、冷冻干燥或喷雾干燥。其中，直接烘干是指在空气气氛、常压下采用烘箱烘干，烘箱温度最好不超过150℃；真空干燥又称减压干燥，是在密闭的容器中抽去空气， 减压而进行干燥的一种方法；冷冻干燥又称升华干燥，物料可先在冷冻装置内冷冻，再进行真空干燥，也可直接在干燥室内经迅速抽成真空而冷冻，升华过程中所需的汽化热量，一般用热辐射供给；喷雾干燥是于干燥室中将稀料经雾化后，在与热空气的接触中，水分迅速汽化，即得到干燥产品，该法能直接使溶液、乳浊液干燥成粉状或颗粒状制品，可省去蒸发、粉碎等工序。当然，也可采用其它常规干燥方法，此处不应过分限制本发明的保护范围。

本发明的多孔碳的制备方法工艺条件温和、步骤简单，制备得到的多孔碳孔结构均匀、可控，特别适合高质量多孔碳的规模化生产。

下面通过具体的实施例来详细说明本发明的技术方案。

实施例一

将一定量的甲醇钾粉体放置于陶瓷坩埚中，并置于400℃马弗炉中保温4h，获得灰色固体产物，该产物包括碳酸钾和多孔碳。然后利用离子水反复洗涤上述固体产物，过滤收集得到黑色固体产物。冷冻干燥上述固体产物，得到黑色的多孔碳粉体。

请参阅图2及3，分别显示为本实施例中所得多孔碳粉体的SEM图及TEM图，可见，所述粉体结构中存在大量纳米孔道。

请参阅图4，显示为本实施例中所得多孔碳粉体的氮气吸附-脱附曲线，其横坐标为相对压力P/P₀，其中P为气体的真实压力，P₀为气体在测量温度下的饱和蒸汽压；纵坐标为标准温度和压力下吸附在多孔碳孔道中的氮气分子的体积，即吸附量，其中，cm³为体积单位立方厘米，g为质量单位克。

测试结果表明，所得粉体结构的BET比表面积为2800m²/g，其中，BET比表面积是BET比表面积测试法的简称，BET是三位科学家(Brunauer、Emmett和Teller)的首字母缩写，BET比表面积测试可用于测颗粒的比表面积、孔容、孔径分布以及氮气吸附脱附曲线。本实施例中，所得多孔碳粉体的孔径分布是0.5～10nm，平均孔径为3nm。

实施例二

将一定量的甲醇钾粉体置于800℃马弗炉中保温5h，获得灰色固体产物，该产物包括碳酸钾和多孔碳。利用离子乙醇反复洗涤上述固体产物，过滤收集得到黑色固体产物。真空干燥上述固体产物，得到黑色的多孔碳粉体。

实施例三

将一定量的乙醇镁置于1500℃马弗炉中保温8h，获得灰色固体产物，该产物包括氧化镁 和多孔碳。利用稀盐酸反复洗涤上述固体产物，过滤收集得到黑色固体产物。烘干上述固体产物，得到黑色的多孔碳粉体。

实施例四

将一定量的乙醇钾置于2100℃马弗炉中保温2h，获得灰色固体产物，该产物包括碳酸钾和多孔碳。利用离子水反复洗涤上述固体产物，过滤收集得到黑色固体产物。真空干燥上述固体产物，得到黑色的多孔碳粉体。

综上所述，本发明的多孔碳的制备方法工艺条件温和、步骤简单，主要利用金属醇盐在热解过程中同时生成热解碳和无机盐或氧化物，二者在分子尺度上混合均匀，原位生成的无机盐或氧化物充当造孔剂和活化剂，从而获得具有均匀微纳米孔结构和高比表面积的多孔碳材料。由于本发明制备的多孔碳具有孔结构均匀、可控的特点，因此特别适合高质量多孔碳的规模化生产。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。