[发明专利]一种中孔炭材料的制备方法

说明书

所属领域：

本发明属于多孔炭材料制备领域，具体涉及一种中孔炭的制备方法。

背景技术：

多孔炭因为其原料来源广、价格低廉、化学稳定性好等优点，广泛应用于 医学、环境、能源等领域。根据多孔炭的孔结构，国际纯粹与应用化学联合会 将多孔炭分为三类：微孔炭(平均孔径<2nm)、中孔炭(2nm<平均孔径<50nm)、 大孔炭(平均孔径>50nm)。不同领域的应用，对多孔炭有不同的性能要求。如 吸附甲醛等有机小分子，需要采用微孔炭；吸附染料等大分子，需要采用中孔、 甚至大孔炭。多孔炭应用于储能领域(如超级电容器)，对其孔结构同样有特殊 要求。如微孔活性炭的孔道窄且弯曲，将限制电解质离子在其内部的扩散迁移， 导致大电流充放电时电解质离子来不及在电极的大部分表面上形成双电层储存 电荷，只有少部分较大孔径孔隙的表面得到利用，从而造成电容器的能量密度 下降。另一方面，活性炭内部孔隙孔径越小，孔隙内电解液电阻越大，电容器 的内阻越大，电容器储存电荷时需要消耗能量克服内阻，导致电容器充放电效 率和能量密度降低。

因此，开发中孔炭材料的新型制备工艺是近年来多孔无机材料领域的研究 热点。

制备中孔炭材料的方法主要有三种：常规活化法、有机气(冷冻)凝胶炭 化法和模板炭化法。常规活化法中的原料直接活化法采用氯化锌等为活化剂， 制备的多孔炭多为微孔炭，且对炭材料的孔结构调节困难；二次活化法虽可制 得比表面积很高的多孔炭，但采用的氢氧化钾等活化剂对设备耐腐蚀要求苛刻， 生产条件要求高，且对炭材料的孔结构调节困难。有机气(冷冻)凝胶炭化法 需要超临界干燥或冷冻干燥等特殊干燥手段，设备成本高，并且制备的炭材料 的比表面积不高。硬模板炭化法将炭前驱体置于二氧化硅或三氧化二铝多孔无 机模板中，然后炭化、去模，需要在炭化后化学去除硅氧化物基或三氧化二铝 基模板，造成浪费。软模板法则采用嵌段共聚物等表面活性剂为结构导向剂， 利用表面活性剂的对炭前驱体聚合物的结构导向产生的自组装现象，达到控制 炭材料孔结构的目的，但目前大分子嵌段共聚物表面活性剂的生产成本还较高， 限制了这种方法的推广应用。

发明内容：

本发明旨在提供一种中孔炭的简单制备方法。本方法利用两种聚合物在一 定溶剂中混合后能形成相分离结构的特征及其热稳定性差异，以热稳定性高的 聚合物为碳前驱体，以高温处理时可气化的热不稳定聚合物为成孔剂，将两种 聚合物直接溶解混合，加入一定量的固体碱，然后脱除溶剂，炭化，得到中孔 炭材料。具体方法及步骤如下：

(1)有机/有机复合物的制备：将酚醛树脂、聚酰亚胺等热稳定性高的聚 合物与不同分子量的热不稳定聚合物按质量比1:(2-10)分别溶于一定量的易挥 发极性有机溶剂中，搅拌均匀。再将两种溶液混合，加入一定量的固体碱，充 分搅拌，形成均一的溶液。脱除溶剂，制得有机/有机复合物。

(2)炭化：步骤(1)制备得到的有机/有机复合物在氮气保护下，以2-10 ℃/min的升温速率升温至250-350℃，保温0.5-2h，然后以5-10℃/min的升 温速率升温至800-1000℃，保温1-2h，炭材料经水洗干燥后得到产品。

本发明中所用的前驱体聚合物包括酚醛树脂、聚酰亚胺等热稳定性良好的聚 合物。

本发明中所用的非水极性溶剂为甲醇、乙醇、四氢呋喃等。

本发明中所用的固体碱为碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾、锌酸钠等。

本发明中使用的热不稳定聚合物为聚乙二醇。

本发明中使用的热不稳定聚合物的分子量在400～20000之间。

本发明制备的炭材料首先利用两种热稳定性不同、可形成微相分离结构的聚 合物混合炭化，热稳定性高的聚合物经过高温炭化成为炭基体，热稳定性低的聚 合物则在热处理过程中分解气化，在炭化产物中留下孔隙。然后无机固体碱在炭 化过程中，产生进一步的扩孔作用。利用气化成孔及化学活化成孔的协同作用， 同时实现炭材料的孔结构形成和对炭材料孔结构的控制。

本发明制备的部分炭材料的孔结构参数如下表所示：