一种三维宏观自支撑结构的多孔炭材料的制备方法
【专利摘要】本发明属于多孔材料技术领域，具体涉及是一种三维宏观自支撑结构的多孔炭材料的制备方法。包括：聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶液的配制，真空冻干法得到多孔结构的PVP前驱体，再将上述前驱体恒温150??200℃稳定12??48h，再经600??1000℃高温碳化得到多孔炭，最后KOH与上述多孔炭按照一定质量比例混合，800℃活化1??2h，得到集微孔、介孔和大孔于一体的多孔炭材料。本方法进一步优化了制备多孔炭材料的方法，制备过程操作简单，产率高，绿色无污染，制备的多孔炭材料孔结构有序，具有高的比表面积和高达90%的孔隙率。
【专利说明】一种三维宏观自支撑结构的多孔炭材料的制备方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明属于多孔材料技术领域，具体涉及是一种三维宏观自支撑结构的多孔炭材料的制备方法。
【背景技术】
[0003]随着科学技术的发展，工业生产中和生活中带来的环境污染问题日益严重，工业污水中的酸、碱、镉、汞、砷、苯、有机染料等有毒物质，会通过土壤的渗透作用流入地下水体系，毒死水生生物，影响人们的饮用水源。所以对工业污水的处理尤为重要。目前，水污染的处理可分为化学分解法和物理吸附法，其中化学分解法，即将污水中如高分子一类物质分解成水和其他一些小分子，很显然，多数情况这种处理方式不可避免的会造成水体的二次污染。而物理吸附的方法很好的避免了二次污染的存在。具有良好吸附功能材料的研发成为近十几年的研究热点，多孔炭材料作为一种新型炭材料已备受关注。
[0004]目前，多孔炭主要以煤焦油、沥青、石油、生物质、聚合物为原料，通过物理化学活化法、聚合物混合碳化法、有机凝胶法及模板法制备。多孔炭材料根据其孔径大小可分为大孔(>50nm)、介孔(2?50nm)和微孔(<2nm),其中微孔结构又可分为极微孔(〈0.7nm)和超微孔(0.7?2nm)，其特殊的孔分布结构，使其具高比表面积、高孔隙率、良好的通透性、绿色无毒等优点，广泛应用于吸附分离、催化剂载体、储能和医用生物材料等领域，在废弃染料的吸附作用上尤为突出。
[0005]
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种多孔炭材料的制备方法，该方法结合冷冻干燥法，高温碳化法和化学活化法，制得具有自支撑结构、高比表面积、密度低的多孔结构炭，可用作重复吸附分离材料、催化剂载体等。
[0007]本发明包括:
(I)前驱溶液的制备及PVP的真空干燥
PVP与水按一定比例磁力搅拌12h，将PVP水溶液呈装在离心管中，定向、快速插入液氮中，并迅速移入真空干燥装置，保持真空度低于50Pa，干燥36h，得到孔结构排列规则的PVP前驱物。
[0008](2)前驱物的稳定过程
将上述前驱物150—200 0C空气环境稳定12—48h ；
(3)PVP碳化过程
将稳定得到的材料进行高温碳化4h，得到初步的多孔炭材料；
(4)多孔炭的活化过程将KOH与上述多孔炭按照质量比4:1混合，800°(:活化1--211，即得目标产物。
[0009]所述步骤(I)中磁力搅拌12h，目的在于保证原料充分混合，之后呈装于离心管中快速、定向插入液氮中，目的在于形成规则分布的多孔结构。
[0010]所述步骤(I)中真空干燥不少于36h，目的是尽可能去除水分。
[0011]所述步骤(2)中恒温稳定为:150-200 °C，空气环境干燥12__48h，自然降温。
[0012]所述步骤(3)中将前驱物于管式炉至进行碳化，碳化过程分为2部分，第一部分，由室温升高至360°C，并保持4h，第二部分，在氮气作为保护气的环境下，由360 °C升至600 °C-1000°C，并保持4h，后自然降温，整个过程中升温速率可调控为2°C/min --10°C/min，初步得到多孔炭材料。
[0013]所述步骤(4)中将上述的到的炭多孔材料与KOH按照质量比1:4称量，研磨KOH，使多孔炭埋于KOH其中，呈于石墨坩祸，移入管式炉，氮气环境下进行活化煅烧过程:先由室温升温至400°C，保持30min，再升温至800°C，保持l—2h，过程中升温速率为5°C/min。自然降温至室温O
[0014]所述步骤(4)中将样品移入去离子水中80°C水浴30min，再经去离子水反复清洗直至中性，60°C干燥。
[0015]
有益效果
(I)本发明所制得的多孔炭呈三维自支撑结构。
[0016](2)本发明所制得的多孔炭具有高的比表面积，密度小，性质稳定等特点，可用作吸附材料、催化剂载体等。
[0017](3 )本发明通过改变PVP水溶液的浓度、碳化温度、升温速率和活化时间来改变多孔炭的形貌结构。
[0018](4)本发明制备工艺简单，易于操作，对环境无污染。
[0019]
【附图说明】
[0020]图1为制备多孔炭材料的工艺路线图；
图2为本发明的多孔炭材料的XRD图；
图3为本发明中PVP浓度不同(A.B.C)，碳化温度不同(D.E.F)和升温速率不同(G.H.1)所得三组多孔炭的SEM图；
图4为本发明中实施例1制备的多孔炭的红外谱图；
图5为本发明中实施例1制备的多孔炭的物理吸附曲线，其比表面积为1846cm3/g;
图6为本发明中实施例1制备的多孔炭的孔径分布图；
图7为本发明中实施例1制备的多孔炭对Μ0、ΜΒ和RB的吸附图。
[0021]
【具体实施方式】
[0022]下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。
[0023]实施例1 (I)前驱溶液的制备及PVP的冷冻干燥
称量一定量PVP与水按质量分数10wt%混合，磁力搅拌12h，将PVP水溶液呈装在离心管中，定向、快速插入液氮中，并迅速移入真空干燥装置，保持真空度低于50Pa，干燥36h，得到孔结构排列规则的PVP前驱物。
[0024](2)前驱物的稳定过程
将上述前驱物150°C空气环境稳定24h;
(3)PVP碳化过程
将PVP置于管式炉中，由室温升高至360°C，并保持4h，充入氮气作为保护气，由360°C升至1000°C，并保持4h，自然降温，整个过程中升温速率5 °C /min，初步得到多孔炭材料。
[0025](4)多孔炭的活化过程
将多孔炭材料与KOH按照质量比1:4称量，研磨KOH，使多孔炭埋于KOH其中，呈于石墨坩祸，移入管式炉，氮气环境下，先由室温升温至400°C，保持30min，再升温至800°C，保持lh，过程中升温速率不变为5°C/min。自然降温至室温。
[0026]实施例2
(I)前驱溶液的制备及PVP的冷冻干燥
称量一定量PVP与水按质量分数10wt%混合，磁力搅拌12h，将PVP水溶液呈装在离心管中，定向、快速插入液氮中，并迅速移入真空干燥装置，保持真空度低于50Pa，干燥36h，得到孔结构排列规则的PVP前驱物。
[0027](2)前驱物的稳定过程
将上述前驱物150°C空气环境稳定24h;
(3)PVP碳化过程
将PVP置于管式炉中，由室温升高至360°C，并保持4h，充入氮气作为保护气，由360°C升至800°C，并保持4h，自然降温，整个过程中升温速率5 °C /min，初步得到多孔炭材料。
[0028](4)多孔炭的活化过程
将多孔炭材料与KOH按照质量比1:4称量，研磨KOH，使多孔炭埋于KOH其中，呈于石墨坩祸，移入管式炉，氮气环境下，先由室温升温至400°C，保持30min，再升温至800°C，保持lh，过程中升温速率不变为5°C/min。自然降温至室温。
[0029]实施例3
(I)前驱溶液的制备及PVP的冷冻干燥
称量一定量PVP与水按质量分数10wt%混合，磁力搅拌12h，将PVP水溶液呈装在离心管中，定向、快速插入液氮中，并迅速移入真空干燥装置，保持真空度低于50Pa，干燥36h，得到孔结构排列规则的PVP前驱物。
[0030](2)前驱物的稳定过程
将上述前驱物150°C空气环境稳定24h;
(3)PVP碳化过程
将PVP置于管式炉中，由室温升高至360°C，并保持4h，充入氮气作为保护气，由360°C升至600°C，并保持4h，自然降温，整个过程中升温速率 5 °C /min，初步得到多孔炭材料。
[0031](4)多孔炭的活化过程
将多孔炭材料与KOH按照质量比1:4称量，研磨KOH，使多孔炭埋于KOH其中，呈于石墨坩祸，移入管式炉，氮气环境下，先由室温升温至400°C，保持30min，再升温至800°C，保持lh，过程中升温速率不变为5°C/min。自然降温至室温。
[0032]实施例4
(I)前驱溶液的制备及PVP的冷冻干燥
称量一定量PVP与水按质量分数15wt%混合，磁力搅拌12h，将PVP水溶液呈装在离心管中，定向、快速插入液氮中，并迅速移入真空干燥装置，保持真空度低于50Pa，干燥36h，得到孔结构排列规则的PVP前驱物。
[0033](2)前驱物的稳定过程
将上述前驱物150°C空气环境稳定24h;
(3)PVP碳化过程
将PVP置于管式炉中，由室温升高至360°C，并保持4h，充入氮气作为保护气，由360°C升至800°C，并保持4h，自然降温，整个过程中升温速率5 °C /min，初步得到多孔炭材料。
[0034](4)多孔炭的活化过程
将多孔炭材料与KOH按照质量比1:4称量，研磨KOH，使多孔炭埋于KOH其中，呈于石墨坩祸，移入管式炉，氮气环境下，先由室温升温至400°C，保持30min，再升温至800°C，保持lh，过程中升温速率不变为5°C/min。自然降温至室温。
[0035]实施例5
(I)前驱溶液的制备及PVP的冷冻干燥
称量一定量PVP与水按质量分数5wt%混合，磁力搅拌12h，将PVP水溶液呈装在离心管中，定向、快速插入液氮中，并迅速移入真空干燥装置，保持真空度低于50Pa，干燥36h，得到孔结构排列规则的PVP前驱物。
[0036](2)前驱物的稳定过程
将上述前驱物150°C空气环境稳定24h;
(3)PVP碳化过程
将PVP置于管式炉中，由室温升高至360°C，并保持4h，充入氮气作为保护气，由360°C升至800°C，并保持4h，自然降温，整个过程中升温速率5°C/min，初步得到多孔炭材料。
[0037](4)多孔炭的活化过程
将多孔炭材料与KOH按照质量比1:4称量，研磨KOH，使多孔炭埋于KOH其中，呈于石墨坩祸，移入管式炉，氮气环境下，先由室温升温至400°C，保持30min，再升温至800°C，保持lh，过程中升温速率不变为5°C/min。自然降温至室温。
[0038]实施例6
(I)前驱溶液的制备及PVP的冷冻干燥
称量一定量PVP与水按质量分数10wt%混合，磁力搅拌12h，将PVP水溶液呈装在离心管中，定向、快速插入液氮中，并迅速移入真空干燥装置，保持真空度低于50Pa，干燥36h，得到孔结构排列规则的PVP前驱物。
[0039](2)前驱物的稳定过程
将上述前驱物150°C空气环境稳定24h;
(3)PVP碳化过程
将PVP置于管式炉中，由室温升高至360°C，并保持4h，充入氮气作为保护气，由360°C升至800°C，并保持4h，自然降温，整个过程中升温速率5 °C /min，初步得到多孔炭材料。
[0040](4)多孔炭的活化过程
将多孔炭材料与KOH按照质量比1:4称量，研磨KOH，使多孔炭埋于KOH其中，呈于石墨坩祸，移入管式炉，氮气环境下，先由室温升温至400°C，保持30min，再升温至800°C，保持1.5h，过程中升温速率不变为5°C/min。自然降温至室温。
【主权项】
1.一种三维宏观自支撑结构的多孔炭材料的制备方法，其特征是具体步骤如下: (1)前驱溶液的制备及PVP的真空干燥 PVP与水按一定比例磁力搅拌12h，将PVP水溶液呈装在离心管中，定向、快速插入液氮中，并迅速移入真空干燥装置，保持真空度低于50Pa，干燥36h，得到孔结构排列规则的PVP前驱物； (2)前驱物的稳定过程 将上述前驱物150—200 0C空气环境稳定12—48h ； (3)PVP碳化过程 将前驱物于管式炉至进行碳化，碳化过程分为2部分，第一部分，由室温升高至360°C，并保持4h，第二部分，在氮气作为保护气的环境下，由360°C升至600°C-1000°C，并保持4h，后自然降温，整个过程中升温速率可调控为2°C/min -10°C/min，初步得到多孔炭材料； (4)多孔炭的活化过程 将上述的到的炭多孔材料与KOH按照质量比1:4称量，研磨KOH，使多孔炭埋于KOH其中，呈于石墨坩祸，移入管式炉，氮气环境下进行活化煅烧过程:先由室温升温至400 V，保持30min，再升温至800°C，保持l-2h，过程中升温速率为5°C/min，自然降温至室温，将降至室温的样品移入去离子水中80°C水浴30min，再经去离子水反复清洗直至中性，60°C干燥，SP得目标产物。
【文档编号】C01B31/12GK106006633SQ201610315894
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】姜希, 邵长路, 李兴华
【申请人】东北师范大学