[发明专利]具有官能化孔隙的含碳基质

说明书

优先权要求和相关申请的交叉引用

本申请要求2010年6月3日提交的美国非临时申请序列号12/793,659的优先权并与之相关，其通过引用并入本文中。

于2010年6月3日提交的美国非临时申请序列号12/793,659要求2009年6月5日提交的美国临时申请序列号61/184,549的优先权并与之相关，其通过引用并入本文中。

发明内容

本申请涉及官能化含碳基质的孔隙。本发明的物质组合物由含碳基质构成。含碳基质可包含至少一种类型的碳材料，例如石墨晶碳材料、碳粉、和人造石墨粉、碳纤维、及其组合。含碳基质可形成为块、布、片或薄板。含碳基质还可以是无定形的。此外，含碳基质包含多个孔隙。不为金属的反应性添加剂部分填充含碳基质的多个孔隙的至少一部分，其官能化含碳基质的孔隙。具有官能化孔隙的含碳基质可用作过滤器或用作某些物质的储存器。

反应性添加剂可通过化学反应(例如通过高压浸渍反应)布置在含碳基质的孔隙的至少一部分内。例如，可在含碳基质的孔隙内布置一种或多种前体以与含碳基质的碳反应而在含碳基质的孔隙内形成反应性添加剂。可施加压力和/或热以引发一个或多个基于所述一种或多种前体在含碳基质的孔隙内形成反应性添加剂的反应。反应性添加剂还可通过高压浸渍法，例如美国专利No.6,649,265中描述的高压浸渍法而布置在含碳基质的孔隙内，所述美国专利通过引用并入本文中。

附图说明

以下结合附图描述具体实施方式。在附图中，附图标记的最左边的数字标识该附图标记在其中首次出现的附图。在整个附图中，同样的特征和要素使用相同的标记。

图1A和1B示出了较高质量针状焦炭和较低质量焦炭的扫描电子显微镜(SEM)图像。

图2示出了粗石墨颗粒结构和细石墨颗粒结构的SEM图像。

图3为示出了示例性含碳基质的制备方法的流程图。

图4示出了含碳基质的透射电子显微镜(TEM)图像。

图5A和5B示出了含碳基质的纳米石墨板的其他TEM图像。

图6A和6B示出了含碳基质的TEM衍射图和图像。

图7示出了通过化学反应在含碳基质的孔隙内布置反应性添加剂的方法的流程图。

图8示出了通过高压浸渍法在含碳基质的孔隙内布置反应性添加剂的方法的流程图。

图9示出了具有官能化孔隙的含碳基质的应用。

具体实施方式

多孔碳可用在许多领域中。在一些情况下，多孔碳可用作过滤器。例如，木炭可经加工获得高度的微孔性，使得一克多孔碳具有大约500m²的表面积。许多应用依靠多孔碳的大表面积来过滤流体和/或气体。

此外，可通过给多孔碳的表面充正电荷来活化多孔碳以从被过滤的流体和/或气体吸附杂质。在一些情况下，用来形成多孔碳的木炭可经化学处理以增强通过多孔碳获得的吸附。经活化的多孔碳也可用作燃料储存器以储存天然气和H₂气。

本发明的物质组合物包括在孔隙的至少一部分内布置有反应性添加剂的多孔含碳基质。本发明的物质组合物可由这样的方法形成，该方法在出于各种目的官能化含碳基质的孔隙中具有灵活性。例如，可基于含碳基质的预期功能(例如过滤或储存)，采用高压浸渍反应和若干反应性添加剂前体来给含碳基质的孔隙涂布以特定的反应性添加剂。在另一实例中，可根据含碳基质的预期功能采用高压浸渍法来在含碳基质的孔隙内布置特定的反应性添加剂。

布置在含碳基质的孔隙内的反应性添加剂的量取决于高压浸渍过程中或高压浸渍反应过程中实施的工艺条件，例如温度、压力和时间。因此，布置在孔隙内的反应性添加剂的量，例如孔隙的涂层厚度，可通过施加的工艺条件加以控制。此外，可在含碳基质的孔隙内布置多种反应性添加剂且反应性添加剂中的每一种可起到不同的作用，例如储存和过滤。此外，反应性添加剂中的每一种可相对于不同的物质起到相同的作用。例如，一种反应性添加剂可布置在含碳基质的孔隙内以过滤一种物质，而另一反应性添加剂可布置在含碳基质的孔隙内以过滤另一物质。

含碳基质的石墨碳可基于工业焦炭产品。该残碳可源自天然来源或源自例如煤和石油工业中的炼制工艺。在一些示例性的实施方案中，可采用源自石油产品的较高质量针状焦炭来形成含碳基质。