以莴笋叶为碳源制备高比表面积活性炭的方法
【专利摘要】本发明公开了一种以莴笋叶为碳源制备高比表面积活性炭的方法。该方法采用莴笋叶为原料，先炭化得到炭化物，将炭化物与碱性介质混合均匀，在氩气中活化，而后洗涤得到超高比表面积的活性炭。活性炭的比表面积为1000~3500m2/g，孔体积1~2cm3/g，平均孔径为0.5~3nm，有望作为一种新型的多孔活性炭材料在电池、超级电容器、气体吸附剂等领域得到广泛应用。
【专利说明】以莴笋叶为碳源制备高比表面积活性炭的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及活性炭材料的制备技术，具体为以生物质废物资源即莴笋叶制备高比表面积的活性炭的方法。
【背景技术】
[0002]活性炭是一种含炭材料，具有比表面积大，内部空隙结构发达，吸附能力强、耐酸碱、可再生等优点，可广泛的应用于化工、冶金、军事防护、电池、环境保护等领域。围绕活性炭的基础和应用研究仍然是科学研究的重要课题之一。
[0003]活性炭原料的选择一直是人们关注的热点问题，因为这直接关系到材料的品质和后续应用。制备活性炭的原料种类繁多，目前商业应用和科学研究较多的主要有煤炭(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 )、生物质原料(木材(F.C.ffu, R.L.Tseng, C.C.Hu, C.C.Wang,Journal of Power Sources, 2004, 138, 351-359 )、杏壳(B.Xu, Y.F.Chen, G.Wei,
G.P.Cao, H.Zhang, Y.S.Yang, Materials Chemistry and Physics, 2010, 124,504-509)、谷壳(M.S Balathanigaimani, ff.G.Shin, M.J.Lee, C.Kim, J.ff.Lee,
H.Moon, Electrochemistry Communicat1ns, 2008, 10, 868-871 )、椰壳(李艳芳，梁大明，刘春兰，君7矣缓发术，2009，15,5-13)等等)。这些碳源经过炭化和活化后，都能获得一定比表面积的活性炭材料。相比较而言，生物质原料展示良好的应用前景，具有来源丰富、成本低、可实现规模化生产等优点。但是目前利用上述提到的生物质原料制备的活性炭材料，比表面积仍较低，这就限制了它的潜在应用价值。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提出一种利用生物质碳源一莴笋叶制备出高比表面的活性材料的途径，方法具有成本低(废弃生物质材料的再利用)，流程简单，可大量制备等优点，因此可作为一种适于制备高比表面积的活性炭的理想方法。
[0005]本发明的技术方案是:
本发明提供了一种利用生物质碳源制备高比表面的活性炭的方法，该方法采用莴笋叶为原料，先炭化得到炭化物，将炭化物与碱性介质混合均匀，在氩气中活化，而后洗涤得到超高比表面积的活性炭。
[0006]一种以莴笋叶为碳源制备高比表面积活性炭的方法，其特征在于，该方法步骤为:
A、莴笋叶炭化:将莴笋叶自然干燥、脱水，在氩气保护下采用逐步升温方法对莴笋叶进行炭化，升温速度为1?20 °C/min，炭化温度为10(T1000 °C，保温时间为1?10 h，形成炭化物A ;
B、KOH活化:将炭化物A研磨，并与氢氧化钾和水混合均匀，自然干燥后，在氩气保护下，采用逐步升温方法对炭化物A进行活化，其中KOH与炭化物A的质量比为1: Γ10:1，升温速度为广20 °C/min，活化温度为50(Tl000 °C，保温时间为1?10 h，获得高比表面积的活性炭B，将活性炭B冷却、洗涤至中性、干燥后得到产品。
[0007]本发明采用逐步升温方法对莴笋叶进行炭化，升温速度优选为Γ10 V /min，炭化温度优选为40(T800°C，保温时间优选为1?3 h。
[0008]本发明采用逐步升温方法对炭化物A进行活化，其中KOH与炭化物A的质量比优选为2:1?8:1，升温速度优选为2?10 V /min，活化温度优选为700?900 °C，保温时间优选为0.5?3 ho
[0009]本发明采用Micromeritics ASAP 2020测试了该系列活性炭材料的比表面积,制备的活性炭的比表面积为100(T3500 m2/g，孔体积广2 cm3/g，平均孔径为0.5?3 nm。
[0010]本发明的特点及有益效果是:
实现生物质能源废物再利用，整体工艺简单，可控性强，选用的原料价格低廉，适合低成本、大规模化生产。制备的活性炭具有超高比表面积，孔体积较高，孔径均一等优点。
[0011]本发明方法简单易控，制备周期短，产物粒度均匀、孔道丰富、孔体积高、产品质量稳定、性价比高等优点。有望作为一种新型的多孔活性炭材料在电池、超级电容器、气体吸附剂等领域得到广泛应用。
[0012]
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为实施例活性炭的扫描电子显微镜照片。
[0014]图2为实施例活性炭的透射电子显微镜照片。
[0015]图3为实施例活性炭的吸脱附曲线。
[0016]图4为实施例活性炭的吸脱附曲线。
【具体实施方式】
[0017]实施例1
将莴笑叶自然干燥，取5g放入管式炉当中,通入気气(40 sccm),以5 °C/min升温速度至600 °C，保温两小时，然后降至室温，得到炭化莴笋叶。称取三份炭化莴苣叶2 g，分别加入6 g KOH和少量的水，混合均匀后干燥。样品编号为600-CL-3 (其中600代表炭化笋叶的温度，3代表KOH/炭化笋叶的质量比例)。通入氩气(40 sccm),以5 °C/min升温速度至800 °C，保温一小时，然后降至室温，取出活化产物，先用盐酸清洗，然后用水洗涤多余的杂质和副产物。干燥后可得到超高比表面积活性炭。如图3所示，所制备的上述样品的吸脱附曲线为IV型曲线，展示所制备的活性炭的孔为介孔结构。样品600-CL-3的比表面积分别为3330 cm2/g。
[0018]实施例2
将莴笑叶自然干燥，取5 g放入管式炉当中,通入IS气(40 sccm),以5 °C/min升温速度至600 °C，保温两小时，然后降至室温，得到炭化莴笋叶。称取三份炭化莴苣叶2 g，分别加入8 g KOH和少量的水，混合均匀后干燥。样品编号为600-CL-4 (其中600代表炭化笋叶的温度，4代表KOH/炭化笋叶的质量比例)。通入氩气(40 sccm),以5 °C/min升温速度至800 °C，保温一小时，然后降至室温，取出活化产物，先用盐酸清洗，然后用水洗涤多余的杂质和副产物。干燥后可得到超高比表面积活性炭(如图1和2所示)。如图3所示，所制备的上述样品的吸脱附曲线为IV型曲线，展示所制备的活性炭的孔为介孔结构。样品600-CL-4的比表面积分别为3289 cm2/g。
[0019]实施例3
将莴笑叶自然干燥，取5 g放入管式炉当中,通入IS气(40 sccm),以5 °C/min升温速度至600 °C，保温两小时，然后降至室温，得到炭化莴笋叶。称取三份炭化莴苣叶2 g，分别加入10 g KOH和少量的水，混合均匀后干燥。样品编号为600-CL-4(其中600代表炭化笋叶的温度，4代表KOH/炭化笋叶的质量比例)。通入氩气(40 sccm),以5 °C/min升温速度至800 °C，保温一小时，然后降至室温，取出活化产物，先用盐酸清洗，然后用水洗涤多余的杂质和副产物。干燥后可得到超高比表面积活性炭。如图3所示，所制备的上述样品的吸脱附曲线为IV型曲线，展示所制备的活性炭的孔为介孔结构。样品600-CL-4的比表面积分别为2657 cm2/g。
[0020]实施例5
将莴笑叶自然干燥，取5 g放入管式炉当中,通入IS气(40 sccm),以5 °C/min分别升温至升温速度至400 °C，保温两小时，然后降至室温，得到炭化莴笋叶。称取三份炭化莴苣叶2 g，加入8 g KOH和少量的水，混合均匀后干燥。样品编号为400-CL-4 (其中400代表炭化笋叶的温度，4代表KOH/炭化笋叶的质量比例为4)。通入氩气(40 sccm),以5 °C /min升温速度至800 °C，保温一小时，然后降至室温，取出活化产物，先用盐酸清洗，然后用水洗涤多余的杂质和副产物。干燥后可得到超高比表面积活性炭。如图4所示，样400-CL-4品吸脱附曲线为IV型曲线，展示所制备的活性炭的孔为介孔结构。样品400-CL-4的比表面积分别为1788 cm2/g。
[0021]实施例6
将莴笑叶自然干燥，取5 g放入管式炉当中,通入IS气(40 sccm),以5 °C/min分别升温至升温速度至500 °C，保温两小时，然后降至室温，得到炭化莴笋叶。称取三份炭化莴苣叶2 g，加入8 g KOH和少量的水，混合均匀后干燥。样品编号为500-CL-4 (其中500代表炭化笋叶的温度，4代表KOH/炭化笋叶的质量比例为4)。通入氩气(40 sccm),以5 °C /min升温速度至800 °C，保温一小时，然后降至室温，取出活化产物，先用盐酸清洗，然后用水洗涤多余的杂质和副产物。干燥后可得到超高比表面积活性炭。如图4所示，样500-CL-4品吸脱附曲线为IV型曲线，展示所制备的活性炭的孔为介孔结构。样品500-CL-4的比表面积分别为2549 cm2/g。
[0022]实施例7
将莴笑叶自然干燥，取5 g放入管式炉当中,通入IS气(40 sccm),以5 °C/min分别升温至升温速度至600 °C，保温两小时，然后降至室温，得到炭化莴笋叶。称取三份炭化莴苣叶2 g，加入8 g KOH和少量的水，混合均匀后干燥。样品编号为600-CL-4 (其中600代表炭化笋叶的温度，4代表KOH/炭化笋叶的质量比例为4)。通入氩气(40sccm)，以5°C /min升温速度至800°C，保温一小时，然后降至室温，取出活化产物，先用盐酸清洗，然后用水洗涤多余的杂质和副产物。干燥后可得到超高比表面积活性炭。如图4所示，样份%?-CL-4品吸脱附曲线为IV型曲线，展示所制备的活性炭的孔为介孔结构。样品600-CL-4的比表面积分别为3289 cm2/g。
[0023]实施例8
将莴笑叶自然干燥，取5 g放入管式炉当中,通入IS气(40 sccm),以5 °C/min分别升温至升温速度至700 °C，保温两小时，然后降至室温，得到炭化莴笋叶。称取三份炭化莴苣叶2 g，加入8 g KOH和少量的水，混合均匀后干燥。样品编号为700-CL-4 (其中700代表炭化笋叶的温度，4代表KOH/炭化笋叶的质量比例为4)。通入氩气(40 sccm),以5 °C /min升温速度至800 °C，保温一小时，然后降至室温，取出活化产物，先用盐酸清洗，然后用水洗涤多余的杂质和副产物。干燥后可得到超高比表面积活性炭。如图4所示，样700-CL-4品吸脱附曲线为IV型曲线，展示所制备的活性炭的孔为介孔结构。样品700-CL-4的比表面积分别为2890 cm2/g。
[0024]实施例9
将莴笑叶自然干燥，取5 g放入管式炉当中,通入IS气(40 sccm),以5 °C/min分别升温至升温速度至800 °C，保温两小时，然后降至室温，得到炭化莴笋叶。称取三份炭化莴苣叶2 g，加入8 g KOH和少量的水，混合均匀后干燥。样品编号为800-CL-4 (其中800代表炭化笋叶的温度，4代表KOH/炭化笋叶的质量比例为4)。通入氩气(40 sccm),以5 °C /min升温速度至800 °C，保温一小时，然后降至室温，取出活化产物，先用盐酸清洗，然后用水洗涤多余的杂质和副产物。干燥后可得到超高比表面积活性炭。如图4所示，样800-CL-4品吸脱附曲线为IV型曲线，展示所制备的活性炭的孔为介孔结构。样品800-CL-4的比表面积分别为1315 cm2/g。
[0025]形貌和结构表征结果表明，该活性炭材料具备三维联通的介孔结构。
[0026]如图1所示，通过该方法制备的活性炭材料粒度均一，表面有大量的介孔存在，说明该方法可获得高质量的多孔活性炭材料。
[0027]如图2所示，通过该方法制备的活性炭材料是由三维相连通的介孔结构所组成的，且表面具有大量的微孔，说明该方法可获得孔道丰富的多孔活性炭材料。
[0028]如图3所示，通过该方法制备的活性炭具有IV型曲线特征，表明利用该方法，通过调控活化剂的添加量，可获得不同类型的高比表面积的的活性炭材料。
[0029]如图4所示，通过该方法制备的活性炭具有IV和I型曲线特征，表明利用方法，通过调控炭化温度，可获得不同介孔结构的活性炭材料。
【权利要求】
1.一种以莴笋叶为碳源制备高比表面积活性炭的方法，其特征在于，该方法步骤为: A、莴笋叶炭化:将莴笋叶自然干燥、脱水，在氩气保护下采用逐步升温方法对莴笋叶进行炭化，升温速度为1?20 °C/min，炭化温度为10(Γ1000 °C，保温时间为1?10 h，形成炭化物A ; B、KOH活化:将炭化物A研磨，并与氢氧化钾和水混合均匀，自然干燥后，在氩气保护下，采用逐步升温方法对炭化物A进行活化，其中KOH与炭化物A的质量比为1: Γ10:1，升温速度为广20 °C/min，活化温度为50(Tl000 °C，保温时间为1?10 h，获得高比表面积的活性炭B，将活性炭B冷却、洗涤至中性、干燥后得到产品。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用逐步升温方法对莴笋叶进行炭化，升温速度为4?10 V /min，炭化温度为40(T80(TC，保温时间为广3 h。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用逐步升温方法对炭化物A进行活化，其中KOH与炭化物A的质量比为2:1?8:1，升温速度为2?10 °C/min，活化温度为700?900 °C，保温时间为0.5^3 h。
【文档编号】C01B31/12GK104445190SQ201310415899
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月13日 优先权日:2013年9月13日
【发明者】阎兴斌, 王儒涛, 郎俊伟, 王培煜, 彭超, 薛群基 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所