[发明专利]一种多孔碳纳米材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种多孔碳纳米材料及其制备方法，方法包括:将碳前驱体和造孔剂通过球磨或浸渍的方式混合，得到混合物；所述造孔剂选自氧化镁、氧化钙、氢氧化镁、氢氧化钙、碱式碳酸镁、碱式碳酸钙、碱式碳酸锌，醋酸镁、醋酸钙和醋酸锌中的一种或多种；碳前驱体选自葡萄糖、蔗糖、淀粉、锯末、椰壳、秸秆、坚果壳、废菌棒、高分子酚醛树脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙烯苯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯醇、废弃塑料和沥青中的一种或多种；在惰性气氛下，将混合物高于800℃下热处理，得到多孔碳材料；或将混合物低于800℃热处理后经酸洗干燥，得到多孔碳材料。方法避免预先制备纳米尺寸模板，多孔碳具有较大比表面积和孔体积。

技术领域

本发明属于碳纳米材料技术领域，尤其涉及一种多孔碳纳米材料及其制备方法。

背景技术

多孔碳材料具有较大的比表面积和孔体积、可控的孔隙结构、优异的导电性、良好的稳定性等特点，使其在净水、气体吸附和分离、电催化、能量转化和储存等领域具有非常大的应用潜力。目前多孔碳的合成方法主要分为两类：模板法和活化法。传统模板法需要预先合成纳米级的氧化硅、氧化镁等作为牺牲硬模板，制备的碳材料孔径单一，并且存在工艺复杂，制备成本高等问题。活化法中使用碳前驱体与氧化性气氛(如CO₂、O₂或水蒸汽)反应产生孔隙的方法称为物理活化，其通常需要在高温(大于800℃)下反应较长的时间。化学活化是利用腐蚀性化学物质作为活化剂(如KOH、ZnCl₂、H₃PO₄)对碳原子蚀刻，腐蚀碳壁产生多孔结构。

KOH是其中应用最广泛的造孔剂，但该方法合成的多孔碳的孔隙一般比较狭窄，多为微孔结构，且KOH是具强碱性及腐蚀性，属于危险化学品。这严重限制了它在工业水平的应用，因此有必要引入一些更加温和的造孔剂，将化学活化从目前的实验室规模扩大到工业水平。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多孔碳纳米材料及其制备方法，该方法避免了预先制备纳米模板的复杂工序，简单，易于工业化。

本发明提供了一种多孔碳纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

将碳前驱体和造孔剂通过球磨或浸渍的方式混合，得到混合物；所述造孔剂选自氧化镁、氧化钙、氢氧化镁、氢氧化钙、碱式碳酸镁、碱式碳酸钙、碱式碳酸锌，醋酸镁、醋酸钙和醋酸锌中的一种或多种；所述碳前驱体选自葡萄糖、蔗糖、淀粉、锯末、椰壳、秸秆、坚果壳、废菌棒、高分子酚醛树脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙烯苯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯醇、废弃塑料和沥青中的一种或多种；

在惰性气氛下，将所述混合物高于800℃下热处理，得到多孔碳材料；

或将所述混合物低于800℃热处理后经酸洗干燥，得到多孔碳材料。

优选地，所述碳前驱体和造孔剂的质量比为1:(1～10)。

优选地，所述高于800℃下热处理的时间为2～5h；

低于800℃热处理的时间为1～5h。

优选地，所述混合物以2～10℃/min的速率升温至800℃以上；

所述混合物以2～10℃/min的速率升温至800℃。

优选地，将所述混合物在800～1050℃下热处理；

将所述混合物在500～800℃下热处理后经酸洗干燥。

优选地，酸洗采用的酸溶液选自盐酸、硫酸和硝酸中的一种或多种。

优选地，酸洗的时间为1～12h。

优选地，惰性气氛为氮气或氩气；

所述惰性气氛的流量为100～200mL/min。