[发明专利]一种多孔碳材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种天然木材多孔碳材料及其制备方法，它是将切割成片状的天然木材在空气中加热预处理后，再在强碱水溶液中浸泡并烘干，然后于保护气下高温热解制得的；所述强碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化钙和氢氧化钡中的一种。本发明获得多孔碳材料不仅具有比表面积大、孔径分布均匀、导电性好的优点，而且化学反应活性增加；本发明制备的多孔碳材料用途广泛，可用于能源存储、吸附和水处理等方面。本发明采用物理浸渍法获得多孔碳材料，不仅方法简单易行，而且绿色无污染；原料来源广泛，成本低。

技术领域

本发明属于节能环保技术领域，更具体地，涉及一种多孔碳材料及其制备方法。

背景技术

碳材料已经被应用到许多领域中，例如能源存储与转换领域的锂离子、钠离子电池，超级电容器等，以及吸附分离、催化剂载体等方面。但普通的碳材料的比表面积小，吸附性能相对较差，阻碍了其更加广泛的应用。

多孔碳材料主要有活性炭、活性炭纤维、碳分子筛以及九十年代新发展起来的碳纳米管等。微孔多孔碳材料是通过活化过程合成得到的，其中，无序的介孔多孔碳材料有多种合成方法，包括金属催化活化，有机气凝胶的碳化，使用硅纳米粒子的模板合成等；有序的多孔碳材料是利用分子筛作为模板剂得到的，比如：具有可调变的孔道结构的有序介孔多孔碳材料主要通过介孔硅材料MCM-48、HMS、SBA-15作为模板剂合成得到；具有石墨结构的有序介孔碳材料可以通过高温下将柔性结构的碳源转化成具有高度有序结构的石墨材料；有序的片层结构多孔碳材料也可以通过定向设计合成的硅材料为模板得到。但上述方法制备过程繁琐，制备周期长，且模板剂不能重复利用，成本较高，污染环境。

因此，基于多孔碳材料广阔的应用前景以及绿色环保理念的要求，寻求可代替的生物质多孔碳迫在眉睫。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种多孔碳材料。所述多孔碳材料具有丰富的孔隙率；比表面积大；易掺杂，以达到调节能带和电子传输的能力。

本发明的另一个目的在于提供一种多孔碳材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一种多孔碳材料，它是将切割成片状的天然木材在空气中加热预处理后，再在强碱水溶液中浸泡并烘干，然后于保护气下高温热解制得的；所述强碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化钙和氢氧化钡中的一种。

一种多孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将天然木材切割成厚度为5mm-5μm的木片；然后放入烘箱中烘干，使得所述木片的含水率为≤5％；

2)将烘干后的木片于空气中加热升温至150-1000℃进行第一次煅烧5-15h；然后降温；

3)将降温后的木片放入强碱水溶液中浸泡2-24h，然后于烘箱中烘干；

4)将步骤3)烘干后的木片于惰性气体氛围下加热升温至500-1500℃进行第二次煅烧1-10h，然后降温；得多孔碳材料；

优选地，还包括步骤5)，将所述多孔碳材料放入酸水溶液中浸泡3-10h，然后于烘箱中烘干。

本发明将切割后的木片放入烘箱中烘干，这是由于管式炉内没有水分，如果将切割后的木片直接放在管式炉中加热，会造成木片脱水过快，严重变形，进而导致木片微观结构皱缩或坍塌，因此为了让木片保持天然的结构特征，必须将其放入烘箱中以降低其含水率。

由于第一次煅烧后的木片已经碳化，因此本发明利用强碱浸泡降温后的木片，不仅可以更好地调节木片的微孔结构，而且可以将木片遗态碳骨架进行刻蚀。

优选地，所述碱为所述强碱水溶液的浓度为0.1-4mol/L。