CN101037199A - 微波辐照无机碳化物制备多孔炭及其核壳材料的方法 - Google Patents

微波辐照无机碳化物制备多孔炭及其核壳材料的方法 Download PDF

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王倩
胡军
杨辉
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Abstract

本发明公布了微波辐照无机碳化物制备多孔炭及其核壳材料的方法。制备过程如下：选取一定量的无机碳化物和添加剂，粉碎至粒度为5nm－0.5mm，加入到微波炉中进行辐照加热，然后通入一定量含卤族元素的气体，卤族元素与无机碳化物摩尔比为0.1－20∶1，使无机碳化物与卤族元素发生反应，加热温度在100℃－1800℃，保温0.1－30小时后取出反应产物，再将反应产物进行适当的后处理，最后将后处理产物进行洗涤、过滤、烘干，即可得到多孔炭及其核壳材料。微波辐照制备多孔炭及其核壳材料的方法高效节能，所得多孔炭其核壳材料的孔结构均匀、振实密度大、比表面积高，在超级电容器与电池、氢气与天然气储存、气体分离与纯化、吸波与隐形等方面有重要的应用。

Description

微波辐照无机碳化物制备多孔炭及其核壳材料的方法
技术领域
本发明属于多孔炭制造和微波化学领域，涉及一种多孔炭及其核壳材料的制备方法，特别是涉及一种由无机碳化物制备多孔炭及其核壳材料的方法。
技术背景
常规多孔炭在水处理、制药、食品加工及空气净化等领域有重要的应用。在超级电容器与电池、氢气与天然气储存、气体分离与纯化、吸波与隐形等领域，则需要孔结构、振实密度、比表面积等要求更高的多孔炭。目前，针对这些应用领域的高性能多孔炭，主要由石油焦、沥青、煤、树脂或椰壳等有机物通过强碱KOH等炭化活化制得，这类由有机物制备的多孔炭，其振实密度小、孔的大小形状不均、孔径分布范围宽，难以满足超级电容器与电池、氢气与天然气储存、气体分离与纯化等方面的要求。
国际专利WO 02/39468与WO 2006/113424公布了以无机碳化物为主要原料，使其在高温条件下与卤族元素反应，通过去除无机碳化物中的非碳原子来制备多孔炭的方法。所制备的多孔炭具有较均匀的孔结构、较窄的孔径分布范围、较大的振实密度。但这种多孔炭制备方法，常采用常规的加热方式进行，常规加热方法是根据热传导、对流和辐照原理从物料外部由表及里地进行加热，加热速度缓慢，温度场不均匀，须经过长时间才能完成预热、干燥、炭化、活化的工艺过程，炭化过程中物料的外部孔隙被烧蚀垮塌后内部孔隙才能形成，因此，常规加热无机碳化物制备多孔炭，其孔隙的均匀性和振实密度均有待改善；并且制备时间长、能耗高。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效节能、低成本制备孔结构均匀、孔径分布范围窄、振实密度大的多孔炭及其核壳材料的方法，公布了微波辐照无机碳化物制备多孔炭及其核壳材料的方法。微波加热是与常规加热不同，物料的加热是通过外场与物料相互作用完成的，在高频电磁场作用下物料中偶极子与周围分子摩擦发热从而使温度升高。微波加热具有内部外部同时加热、可克服物料中的“冷中心”现象、加热迅速、易自动控制等优点。微波加热不需要对工作介质和加热炉体本身进行加热和保温，没有额外热量消耗，可最大限度地利用加热能源，微波加热不需要任何传导过程，加热快速、均匀，仅需传统加热方式的几分之一甚至几十分之一的时间就可以达到成孔的目的。另外，微波加热还具有微波催化和等离子体净化作用，其含氧基团和杂质等被彻底清除，多孔炭得以高度净化和活化。因此，微波法制得的多孔炭，孔的大小和形状均匀，孔径分布范围窄，孔隙和比表面积利用率高，并且振实密度较高、导电性较好、生产能耗较低。
本发明的具体内容是：
选取一定量的无机碳化物和添加剂，粉碎至粒度为5nm-0.5mm，加入到微波炉中进行辐照加热，然后通入一定量含卤族元素的气体，卤族元素与无机碳化物摩尔比为0.1-20∶1，使无机碳化物与卤族元素发生反应，加热温度在100℃-1800℃，保温0.1-30小时后取出反应产物，再将反应产物进行适当的后处理，最后将后处理产物进行洗涤、过滤、烘干，即可得到多孔炭及其核壳材料。
本发明得到的有益效果是(1)在微波辐照无机碳化物制备多孔炭及其核壳材料的过程中，主要是通过微波引发无机碳化物与卤族元素的加热反应，制备时间短、能耗低；(2)所采用无机碳化物价格低廉、来源广泛，易制备孔径分布均匀、振实密度大、比表面积高的多孔炭；(3)本方法设备投资少、操作简单、易于实现规模化生产。
具体实施方式
实施例1：
选取粒径为5um的碳化钛细粉，放入功率为2KW的微波炉中，加热至800℃-1000℃，通入氯气并在该温度下保温1小时，停止通入氯气；再通入Ar和H2O混合气并在该温度下保温1小时，然后取出反应产物，用质量分数为10％的盐酸溶液进行酸洗，再用去离子水清洗，过滤、烘干即可得到振实密度0.5g/cm3、比表面积为1200m2/g的多孔炭。
实施例2：
选取粒径为100um的碳化硅细粉，放入功率为3KW的微波炉中，加热至1000℃-1200℃，通入氯气并在该温度下保温0.5小时，停止通入氯气并通入氮气0.5小时，然后取出反应产物，用质量分数为15％的盐酸溶液进行酸洗，再用去离子水清洗，过滤、烘干即可得到振实密度0.7g/cm3、比表面积为500m2/g的多孔炭/碳化硅核壳材料。

Claims (9)

1、一种微波辐照无机碳化物制备多孔炭及其核壳材料的方法，其特征在于包括如下制备步骤：选取一定量的无机碳化物和添加剂，粉碎至一定粒度，加入到微波炉中进行辐照加热，然后通入一定量含卤族元素的气体，使无机碳化物与卤族元素在一定的温度下反应一定时间，再将反应产物进行适当的后处理，最后将后处理产物进行洗涤、过滤、烘干，即可得到多孔炭及其核壳材料。
2、根据权利要求1所述的微波辐照无机碳化物制备多孔炭及其核壳材料的方法，其特征在于：所述的无机碳化物为碳化硼、碳化硅、碳化钛、碳化钙、碳化铝、碳化钒、碳化钼、碳化锆、碳化铁、碳化钨、碳化铌、碳化铬、碳化钽、碳化钇、碳化铝钛、碳化硅钛等无机碳化物中的一种或几种所组成的混合物；并粉碎至粒度为5nm-0.5mm。
3、根据权利要求1所述的微波辐照无机碳化物制备多孔炭及其核壳材料的方法，其特征在于：所述的添加剂为硫化铁、硫化亚铁、氯化铁、氯化亚铁、氯化钴、氯化亚钴、氯化镍、铁、钴、镍、二氧化钛中的一种或几种所组成的混合物，添加剂的量为无机碳化物质量比的0-50％。
4、根据权利要求1所述的微波辐照无机碳化物制备多孔炭及其核壳材料的方法，其特征在于：在微波场或毫米波场中辐照加热。
5、根据权利要求1所述的微波辐照无机碳化物制备多孔炭及其核壳材料的方法，其特征在于：所述的卤族元素为氯、溴、碘中的一种或几种所组成的混合物，气体中卤族元素的质量比为0.1％至100％，气体的其它组分可为N2、He、Ar、H2、HCl、H2O、CO2中的一种或几种。
6、根据权利要求1所述的微波辐照无机碳化物制备多孔炭及其核壳材料的方法，其特征在于：卤族元素与无机碳化物的摩尔比为0.1～20∶1。
7、根据权利要求1所述的微波辐照无机碳化物制备多孔炭及其核壳材料的方法，其特征在于：微波辐照使无机碳化物与卤族元素温度达到100℃～1800℃，并在该温度下保温0.1～30小时。
8、根据权利要求1所述的微波辐照无机碳化物制备多孔炭及其核壳材料的方法，其特征在于：后处理可在Ar、H2、N2、He、H2O、CO2、H2SO4、HNO3、KOH、K2CO3、KCl、NaOH中的一种或几种所组成的混合物中进行。
9、根据权利要求1所述的微波辐照无机碳化物制备多孔炭及其核壳材料的方法，其特征在于：既能制备由无机碳化物充分转变形成的多孔炭，也能制备由无机碳化物部分转变形成的多孔炭包覆无机碳化物的核壳材料。
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