一种多孔碳材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及属于多孔碳材料技术领域，尤其涉及一种多孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

活化法为制备多孔碳材料最常用的方法。根据所使用活化剂特点的不同，活化法可以分为物理活化与化学活化。物理活化过程所用的活化剂包括二氧化碳、水蒸气等，化学活化过程所用的活化剂包括氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸、氯化锌等。其中，化学活化方法可以基于不同碳源材料制备具有高比表面积的多孔碳材料，适用性非常广。这一类活化剂的主要缺点是腐蚀性强、危险性高，尤其是在高温条件下对仪器设备会形成显著的破坏作用。

多孔碳材料作为CO

发明内容

本发明的目的在于提供了一种多孔碳材料及其制备方法和应用。本发明以甲酸铯为活化剂制备多孔碳材料，活化能力强，得到的多孔碳材料具有较高的吸附CO

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

将糖类化合物进行水热碳化，得到碳源材料；

将所述碳源材料与甲酸铯溶液依次进行混合、干燥和热处理，得到所述多孔碳材料。

优选地，所述糖类化合物包括葡萄糖、蔗糖、果糖、半乳糖、核糖、麦芽糖和乳糖中的一种或多种。

优选地，所述水热碳化的温度为200℃，保温时间为4～8h。

优选地，所述碳源材料和甲酸铯溶液中甲酸铯的质量比为1:1～4。

优选地，所述热处理的温度为600～900℃，保温时间为1～2h。

优选地，由室温升温至所述热处理的温度的升温速率为1～15℃/min。

优选地，所述热处理后，还包括将所得材料依次进行洗涤和干燥，所述干燥的温度为100℃，时间为5h。

优选地，所述洗涤包括依次进行酸洗和水洗。

本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制备得到的多孔碳材料，所述多孔碳材料具有多孔结构，比表面积为1100～2400m

本发明还提供了上述技术方案所述的多孔碳材料在吸附CO

本发明提供了一种多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

将糖类化合物进行水热碳化，得到碳源材料；

将所述碳源材料与甲酸铯溶液依次进行混合、干燥和热处理，得到所述多孔碳材料。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的制备方法以甲酸铯为活化剂，活化能力强，其所制备的多孔碳材料具有较高的吸附CO

附图说明

图1为实施例1～4所制备多孔碳材料的扫描电镜照片图；

图2为实施例1～4所制备多孔碳材料的透射电镜照片图；

图3为实施例1～4所制备多孔碳材料的Raman光谱测试结果图；

图4为实施例1～4所制备多孔碳材料在-196℃时的N

图5为实施例1～4所制备多孔碳材料在25℃时的CO

具体实施方式

本发明提供了一种多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

将糖类化合物进行水热碳化，得到碳源材料；

将所述碳源材料与甲酸铯溶液依次进行混合、干燥和热处理，得到所述多孔碳材料。

在本发明中，如无特殊说明，本发明所用原料均优选为市售产品。

本发明将糖类化合物进行水热碳化，得到碳源材料。

在本发明中，所述糖类化合物优选包括葡萄糖、蔗糖、果糖、半乳糖、核糖、麦芽糖和乳糖中的一种或几种。

在本发明中，所述水热碳化的介质优选包括水；所述水和糖类化合物的质量比优选为100:5～20，进一步优选为100:10。

在本发明中，所述水热碳化的温度优选为200℃，时间优选为4～8h。

所述水热碳化后，本发明优选还包括将所得水热碳化料液依次进行过滤、洗涤和干燥，得到所述碳源材料。

本发明对所述过滤不做具体限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。

在本发明中，所述洗涤的试剂优选为蒸馏水，所述洗涤的次数优选为2～3次，进一步优选为3次。

在本发明中，所述干燥的温度优选为100～120℃，进一步优选为100～110℃，时间优选为4～6h，进一步优选为4h。在本发明中，所述干燥的作用是去除洗涤后产物中掺杂的水分。

得到碳源材料后，本发明将所述碳源材料与甲酸铯溶液依次进行混合、干燥和热处理，得到所述多孔碳材料。

在本发明中，所述碳源材料和甲酸铯溶液中甲酸铯的质量比优选为1:1～4。

在本发明中，所述混合的温度优选为20～30℃，进一步优选为25～30℃。

在本发明中，所述混合优选为将所述碳源材料加入甲酸铯水溶液中。

在本发明中，所述混合优选在搅拌的条件下进行。本发明对所述搅拌的条件参数没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。

在本发明中，所述甲酸铯水溶液的制备方法优选包括以下步骤：

将甲酸铯和水混合，得到所述甲酸铯水溶液。

在本发明中，所述甲酸铯和水的质量比优选为1：3～15，所述甲酸铯和水混合的温度优选为10～30℃，更优选为室温。本发明对所述混合的过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的即可。

在本发明中，所述干燥的温度优选为100～120℃，时间优选为4～5h。

在本发明中，所述热处理的温度优选为600～900℃，时间优选为1～2h，在所述热处理的过程中，甲酸铯与碳源材料发生反应产生化学活化作用，形成多孔结构。

在本发明中，由室温升温至所述热处理的温度的升温速率优选为1～15℃/min。

在本发明中，所述热处理优选在管式炉中进行。

在本发明中，所述热处理优选在保护气氛下进行，所述保护气氛优选为氮气。

在本发明中，所述热处理优选包括：将所述保护气氛持续通入管式炉进行，所述保护气氛通入管式炉的流速优选为60mL/min。

所述热处理后，本发明优选还包括将所得材料依次进行洗涤和干燥，得到所述多孔碳材料。

在本发明中，所述洗涤优选包括依次进行酸洗和水洗；所述酸洗的试剂优选包括强酸水溶液，所述酸洗的目的是除去热处理(高温活化反应)之后在碳材料中残余的含铯无机化合物；所述强酸水溶液优选包括盐酸水溶液；所述强酸水溶液的浓度优选为5～20wt％，进一步优选为10wt％。

在本发明中，所述水洗优选洗至至pH值为7.0。

在本发明中，所述干燥的温度优选为100℃，时间优选为5h。

本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制备得到的碳材料，所述碳材料具有多孔结构，比表面积为1100～2400m

本发明还提供了上述所述制备方法制备得到的多孔碳材料在吸附CO

本发明对所述应用的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

将5.0g葡萄糖溶解于50mL水，形成的透明溶液，置于100mL不锈钢水热反应釜，于200℃水热碳化处理6h。然后，将得到的产物过滤，并用去离子水反复洗涤，最后在100℃干燥4h。

将1.0g甲酸铯溶解于15mL去离子水得到甲酸铯水溶液，加入1.0g上述得到的碳源，室温条件下搅拌2h，得到的混合物在100℃干燥5h；将干燥后的混合物置于管式炉中，以60mL/min的流速向管式炉中通入氮气，在氮气气氛中、以10℃/min的升温速度升温至600℃进行热处理，保温1h。待自然冷却后，产物使用10wt％盐酸洗涤，再使用去离子水重复洗涤，在100℃干燥4h后，得到多孔碳材料。

实施例2

将5.0g葡萄糖溶解于50mL水，形成的透明溶液，置于100mL不锈钢水热反应釜，于200℃水热碳化处理6h。然后，将得到的产物过滤，并用去离子水反复洗涤，最后在100℃干燥4h。

将2.0g甲酸铯溶解于15mL去离子水得到甲酸铯水溶液，加入1.0g上述得到的碳源，室温条件下搅拌2h，得到的混合物在100℃干燥5h；将干燥后的混合物置于管式炉中，以60mL/min的流速向管式炉中通入氮气，在氮气气氛中、以10℃/min的升温速度升温至700℃进行热处理，保温2h。待自然冷却后，产物使用10wt％盐酸洗涤，再使用去离子水重复洗涤，在100℃干燥4h后，得到多孔碳材料。

实施例3

将5.0g果糖溶解于50mL水，形成的透明溶液，置于100mL不锈钢水热反应釜，于200℃水热碳化处理6h。然后，将得到的产物过滤，并用去离子水反复洗涤，最后在100℃干燥4h。

将2.0g甲酸铯溶解于15mL去离子水得到甲酸铯水溶液，加入1.0g上述得到的碳源，室温条件下搅拌2h，得到的混合物在100℃干燥5h；将干燥后的混合物置于管式炉中，以60mL/min的流速向管式炉中通入氮气，在氮气气氛中、以10℃/min的升温速度升温至800℃进行热处理，保温2h。待自然冷却后，产物使用10wt％盐酸洗涤，再使用去离子水重复洗涤，在100℃干燥4h后，得到多孔碳材料。

实施例4

将5.0g果糖溶解于50mL水，形成的透明溶液，置于100mL不锈钢水热反应釜，于200℃水热碳化处理6h。然后，将得到的产物过滤，并用去离子水反复洗涤，最后在100℃干燥4h。

将3.0g甲酸铯溶解于15mL去离子水得到甲酸铯水溶液，加入1.0g上述得到的碳源，室温条件下搅拌2h，得到的混合物在100℃干燥5h；将干燥后的混合物置于管式炉中，以60mL/min的流速向管式炉中通入氮气，在氮气气氛中、以10℃/min的升温速度升温至700℃进行热处理，保温2h。待自然冷却后，产物使用10wt％盐酸洗涤，再使用去离子水重复洗涤，在100℃干燥4h后，得到多孔碳材料。

对实施例1～4制备所得多孔碳材料进行了扫描电镜测试，扫描电镜照片如图1所示。由图1可知，实施例1～3制备得到的碳材料由尺寸不均一的球形颗粒构成，且颗粒之间形成了团聚。而实施例4中的碳材料则展现了不规则的大颗粒形貌，颗粒表面粗糙不均一，且形成了大量尺寸与形状不统一的孔洞。

对实施例1～4制备所得多孔碳材料进行了透射电镜测试，测试结果如图2示。在图2的被测试颗粒中可观察到大量的白色点状特征，对应了实施例1～4碳材料中所形成的孔道，表明在不同的制备参数条件下，经过甲酸铯活化处理后都可在碳材料中形成多孔结构。

对实施例1～4制备所得多孔碳材料进行了Raman光谱测试，测试结果见图3。从图3可知，代表缺陷碳结构的D峰与代表石墨化碳结构的G峰分别位于1320cm

对实施例1～4制备所得多孔碳材料进行了氮气吸脱附测试，测试方法为静态体积法吸附测试，测试结果见图4。从图4可知，实施例1～4制备得到的多孔碳材料的比表面积分别为1217m

对实施例1～4制备所得的多孔碳材料进行了二氧化碳吸附特性测试，测试包括以下步骤：

(1)取100mg的多孔碳材料加入测试样品室，加热至250℃真空脱气处理3h；

(2)设定测试样品室所处环境温度，二氧化碳压力由真空状态逐步升高，测定每个平衡压力下的吸附量，直至平衡压力达到1.0～1.1bar，从而获得完整的二氧化碳吸附等温线；

(3)二氧化碳吸附测试完成后，样品室加热至100℃真空处理，完成二氧化碳脱附。

测试结果见图5，从图5可知：在25℃、1bar压力条件下，实施例1～4的CO

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。