[发明专利]一种高比表面积中孔碳材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明提供一种高比表面积中孔碳材料的制备方法，该技术以碳水化合物、酚 类化合物及金属氯化物为原料，经过水解、聚合、干燥固化、炭化、水洗、烘干得 到粉末状中孔碳，属于多孔材料与新型碳材料领域。

技术背景

多孔碳具有高比表面积和发达的孔隙，被广泛用作吸附剂、催化剂载体、电池 和超级电容器电极材料等。在这些领域中，最常见的是活性炭，应用广泛。大量研 究表明，影响多孔碳使用性能的主要是比表面积、孔容和孔径分布等性质。在早期 研究中，人们认为比表面积越大，性能越好，因此追求高比表面积，主要是利用传 统的物理活化法和化学活化法，通常得到的是比表面积500～1500m²/g的普通活性 炭。20世纪80年代中期，美国Anderson发展公司采用KOH或NaOH活化法，以 煤或石油焦为原料，制备出比表面积大于2500m²/g的活性炭，并实现了工业化生产。 随后，日本也采用KOH活化法，以石油焦或中间相炭微粒为原料，制备出比表面积 高达4000m²/g的活性炭并实现商业化生产(精细与专用化学品，2002，10：16-17)。

近年来，越来越多的研究证明，由于活性炭以微孔为主，难以满足更多的性能 需要，其应用领域受到限制。例如，在吸附材料方面，当吸附聚合物(Micropor.Mesopor Mater.，2003，58：131-135)、染料(Carbon，2003，41：157-164)或维生素(Chem.Mater.， 2005，17：829-833)等大分子物质时，活性炭的吸附容量很小，因为活性炭的孔径小于 这些物质的分子尺寸，这些较大的分子无法进入活性炭的微孔道中。在电容器材料 领域，微孔碳虽然有超高的比表面积，但由于其孔径小(<2nm)，不利于电解液的 渗透和自由出入，仅有少部分表面得到有效利用，绝大部分表面对超级电容器没有 贡献，这使得电容实际测量值仅为理论的20％，影响了超级电容器的功率特性(J. Power Sources，2006，161：730-736)。

在很多应用领域，不仅要求多孔碳有高比表面积，而且要求其有大孔径、大孔 容和较窄的孔径分布。因此，许多研究者试图在保持多孔碳高比表面积的同时，通 过不同制备方法或工艺过程来获得高中孔率、大孔容及孔径分布窄的中孔碳材料。 这些方法主要有：催化活化法、混合聚合物炭化法、有机溶胶-凝胶法和模板剂法等。

催化活化法制备的中孔碳的中孔率可达70～80％，但是比表面积都很低，绝大部 分小于500m²/g(Carbon，2000，38：269-286)，有待改进。混合聚合物炭化法的相关 报道较少，如Hatori等(J.Appl.Polym.Sci.，2001，79：836-841)利用聚酰亚胺混合聚 乙二醇作为前驱体，直接炭化制备了一系列不同的中孔碳膜，该方法虽然操作简单， 无须加任何成孔剂，但是所得到的中孔碳膜总孔容均在0.6cm³/g以下，难以满足高 性能的使用要求。有机溶胶-凝胶法的有关研究较多，如Tamon等(Carbon，1998，36： 1257-1262)利用该类方法制备了孔径2.0～6.1nm、比表面积300～900m²/g的碳气凝 胶，并且通过条件的控制可得到孔径6.1nm、比表面积849m²/g、中孔孔容2.81cm³/g 的碳气凝胶，不足的是，为了保持溶胶的网状结构和在干燥过程中使其收缩最小， 需要采用昂贵而复杂的二氧化碳超临界干燥法，去除凝胶中的液相成分。上述三种 方法还有一个共同的缺点是其不能有效控制所制备中孔碳材料的孔的有序性和孔径 均匀性。