[发明专利]一种海藻基三维多孔碳筛及其制备方法

说明书

本发明公开了一种海藻基三维多孔碳筛及其制备方法，该制备方法包括：将干燥的海藻粉末和活化剂进行混合处理，获得混合物，所述海藻粉与活化剂的质量比例为1:(0.5～4)；其中，将混合物进行高温碳化处理，获得产物；其中高温范围为500‑900℃；碳化后的产物经过清洗、干燥后得到海藻基三维多孔碳筛。本发明的方法，无需球磨、水热等复杂的混料过程，干粉直接混合，简单容易实现。并且活化剂可以回收，通过与尾气中的CO₂反应后重新生成碳酸氢盐，再次用做活化剂。本发明能够制备出具有高比表面积(1843m²g^‑1)、丰富微孔、介孔、大孔和杂元素的多元素掺杂三维分级多孔碳筛。

技术领域

本发明属于碳材料制备技术领域，涉及生物质材料利用领域，特别涉及一种海藻基三维多孔碳筛及其制备方法。

背景技术

自从工业革命以来，化石燃料得到了广泛的应用，对人类社会发展起到了重大的推进作用。但是大规模使用化石燃料带来的资源枯竭和CO₂温室气体排放等环境问题日益严重。为了解决环境问题，一方面要发展清洁、高效的绿色能源，同时发展高效廉价的储能装置提高能源利用率；另一方面需要对已经造成的污染进行治理。生物质基多孔碳材料因为其较高的比表面积、大孔隙率、来源广泛、廉价、环境友好等优点而备受关注，广泛应用于超级电容器、锂离子电池、锂硫电池、电催化、CO₂捕捉等领域。

目前多孔碳的生产方法主要是化学活化法，常用的活化剂有KOH，NaOH，Na₂CO₃，CO₂等。其中KOH的造孔能力优越，孔结构调控效果好，得到了广泛应用。然而在实际生产中KOH存在一定的安全问题，例如在高温下会分解出大量的单质钾。钾在高温下逃逸出活化炉，堵塞尾气管，严重时发生爆炸等安全问题。

针对多孔碳生产改进的专利有很多，但是这些技术存在以下问题：(1)碳源材料要求苛刻，如发明专利CN114314582A公开的方法，使用PVA凝胶作为碳源材料；发明专利CN112110436A使用淀粉作为碳源材料。这些有机物本身具有一定的价值，作为碳源材料难免浪费。(2)成本高昂，如发明专利CN114195124A公开的方法，使用金属有机框架作为催化剂和活化剂。金属有机框架的成本高昂，此方法不具备大量工业化生产的条件；(3)活化剂不可回收，如发明专利CN114275783A等公开的方法，使用磷酸、强碱、NaCl、ZnCl、KCl等作为活化剂。这些活化剂在后续过程中需要使用酸、水等清除干净。这些活化剂不能回收，或者不能继续应用于多孔碳生产过程。

发明内容

本发明目的在于提供一种海藻基三维多孔碳筛及其制备方法，以解决上述存在的问题。本发明的制备方法中，将海藻粉和活化剂的混合物在惰性气体氛围中加热制备三维多孔碳筛。本发明的方法，无需球磨、水热等复杂的混料过程，干粉直接混合，简单容易实现。采用碳酸氢盐作为活化剂，成本低廉，生产过程安全无污染。并且活化剂可以回收，通过与尾气中的CO₂反应后重新生成碳酸氢盐，再次用做活化剂。

本发明采用以下技术方案来实现的：

一种海藻基三维多孔碳筛的制备方法，包括以下步骤：

将干燥的海藻粉末和活化剂进行混合处理，获得混合物，所述海藻粉与活化剂的质量比例为1:(0.5～4)；其中，

将混合物进行高温碳化处理，获得产物；其中高温范围为500-900℃；

碳化后的产物经过清洗、干燥后得到海藻基三维多孔碳筛。

本发明进一步的改进在于，获得的海藻基三维多孔碳筛为三维交联通孔结构多元素掺杂碳筛，碳筛具有大孔、中孔和微孔结构，各种孔相互交联，其中大孔起到连通作用，微孔和介孔起到吸附作用。

本发明进一步的改进在于，所述海藻为绿藻、红藻和褐藻中的一种或多种。