以马铃薯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马铃薯为碳源制备高比表面积活性炭的方法。本发明采用马铃薯为原料，先预氧化得到预产物，而后炭化得到炭化物，将预产物或者炭化物与碱性介质混合均匀，在氩气中活化，最后洗涤干燥后得到超高比表面积的活性炭。制备的活性炭的比表面积约为1000~3500m2g-1，孔体积1~2cm3g-1，平均孔径为1~3nm，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】以马铃薯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一马铃薯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、环境保护等各个领域。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、成本较低、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马铃薯制备出高比表面的活性材料的途径，方法具有成本低，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:
本发明采用马铃薯为原料，先预氧化得到预产物A，而后炭化得到炭化物B，将预产物A或者炭化物B与碱性介质混合均匀，在氩气中活化，最后洗涤干燥后得到超高比表面积的活性炭C或者活性炭D。
[0006]一种以马铃薯为碳源制备高比表面积活性炭的方法，其特征在于，具体步骤为:
A、马铃薯预氧化:将马铃薯干燥、脱水，然后在马弗炉中预氧化，得到预产物A，预氧化温度为 10(T800°C ；
B、炭化预产物:将产物A在管式炉中氩气保护下，炭化预产物A，从而得到炭化物B，炭化升温速度为I?20 V /min，炭化温度为100?1000 °C，保温时间为I?10 h ；
C、KOH活化:将预产物A或者炭化物B研磨，并与氢氧化钾和水混合均匀，自然干燥后，转入管式炉，在氩气保护下，进行活化从而获得高比表面积的活性炭C或者活性炭D，采用逐步升温方法对预产物A或者炭化物B进行活化，升温速度为f 20 V /min,活化温度为500^1000 °C，保温时间为flO h，将产物冷却、洗涤至中性、干燥后得到活性炭。
[0007]本发明预氧化优选温度为10(T300°C，预氧化时间优选为广3 h。
[0008]本发明采用逐步升温方法对预产物A进行炭化，升温速度优选为Γ10 °C /min,炭化温度优选为40(T800 °C，保温时间优选为1?3 h。
[0009]本发明采用逐步升温方法对预产物A或者炭化物B进行活化，其中KOH与产物A的质量比为1:广10:1，KOH与产物B的质量比为1:1?10:1。
[0010]本发明采用逐步升温方法对预产物A或者炭化物B进行活化，升温速度优选为2?10 °C/min，活化温度优选为700?900 °C，保温时间优选为0.5?3 h。
[0011]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约为100(T3500 m2 g_\孔体积广2 Cm3g4，平均孔径为广3 nm，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]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、大规模生产；所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。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为实施例1制备的活性炭的扫描电子显微镜照片。
[0014]图2为实施例2制备的活性炭的扫描电子显微镜照片。
[0015]图3为活性炭的吸脱附曲线。
【具体实施方式】
[0016]实施例1:
将冷冻干燥的马铃薯，取6 g放入马弗炉中，在250 1:下预氧化两小时，待冷却至室温。将得到的预氧化物放入管式炉当中，通入氩气(40 sccm),以5 OmirT1升温速度至600 °C，保温两小时，然后降至室温，得到炭化马铃薯。称取炭化后马铃薯衍生炭2 g，加入8 g KOH并直接研磨(样品编号为AC-600-800，其中AC代表活性炭，600代表炭化马铃薯的温度和800代表活化温度)。将上述混合物在氩气(40 sccm)保护下，以5 °C min—1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材料AC-600-800。如图3所示，所制备的上述样品的吸脱附曲线为I型曲线，展示所制备的活性炭的孔为介孔结构，其比表面积为 2908 m2 g'
[0017]实施例2:
将冷冻干燥的马铃薯，取6 g放入马弗炉中，在250 °C下进行预氧化两小时，待冷却至室温。直接称取2 g预氧化物马铃薯，加入8 g KOH直接研磨(样品编号为AC-800，其中AC代表活性炭，800代表直接活化温度)。将上述混合物在氩气(40 sccm)保护下，以5 OmirT1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材料AC-800。如图3所示，上述所制备的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，其比表面积为 3285 m2 g 1O
[0018]电镜观察结果表明:通过炭化活化(AC-600-800)和直接活化(AC-800)所制备的多孔活性炭的微观形貌呈现直径为数纳米至数十纳米的小颗粒。氮气吸脱附测试表明通过简化制备工艺(无炭化步骤)所制备的多孔活性炭具有较高的比表面积和孔体积。
[0019]如图1所示，通过实施例1制备的多孔活性炭AC-600-800的微观表面均匀分布着数纳米至数十纳米的小颗粒，说明该方法可以制备高质量的活性炭材料。
[0020]如图2所示，通过实施例2制备的多孔活性炭AC-800的微观表面均匀分布着数纳米至数十纳米的小颗粒，说明该方法可以制备高质量的活性炭材料。
[0021]如图3所示，实施例1中多孔活性炭AC-600-800脱附测试呈现I型曲线；实施例2中多孔活性炭AC-800脱附测试呈现IV型曲线。AC-600-800和AC-800的比表面积分别为2908 m2 g_1和3285 m2 g_1 ;相应的孔体积分别为1.3 cm3 g_1和1.8 cm3 g'表明通过简化工艺，仍可获得较高比表面积和孔体积的多孔活性炭材料。
【权利要求】
1.一种以马铃薯为碳源制备高比表面积活性炭的方法，其特征在于，具体步骤为: A、马铃薯预氧化:将马铃薯干燥、脱水，然后在马弗炉中预氧化，得到预产物A，预氧化温度为 10(T800°C ； B、炭化预产物:将产物A在管式炉中氩气保护下，炭化预产物A，从而得到炭化物B，炭化升温速度为I?20 V /min，炭化温度为100?1000 °C，保温时间为I?10 h ； C、KOH活化:将预产物A或者炭化物B研磨，并与氢氧化钾和水混合均匀，自然干燥后，转入管式炉，在氩气保护下，进行活化从而获得高比表面积的活性炭C或者活性炭D，采用逐步升温方法对预产物A或者炭化物B进行活化，升温速度为f 20 V /min,活化温度为500^1000 °C，保温时间为flO h，将产物冷却、洗涤至中性、干燥后得到活性炭。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预氧化温度为10(T300°C，预氧化时间为f3h0
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预产物A进行炭化，升温速度为4?10 °C/min，炭化温度为400?800 °C，保温时间为I?3 h。
4.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预产物A或者炭化物B进行活化，其中KOH与产物A的质量比为1:1?10:1，KOH与产物B的质量比为1:1?10:1。
5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，采用逐步升温方法对预产物A或者炭化物B进行活化，升温速度为2?10 V /min,活化温度优选70(Γ900 V，保温时间为0.5^3 h。
【文档编号】C01B31/12GK104445191SQ201310416168
【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, 彭超, 王儒涛, 郎俊伟, 薛群基 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所