CN103482597A

CN103482597A - 一种中大孔炭的制备方法

Info

Publication number: CN103482597A
Application number: CN201210194519.9A
Authority: CN
Inventors: 程杰; 陈冬; 文越华; 徐艳; 曹高萍; 杨裕生
Original assignee: 63971 Troops of PLA
Current assignee: 63971 Troops of PLA
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2032-06-14
Also published as: CN103482597B

Abstract

本发明属于化学工程与工业领域，特别涉及到一种中大孔炭的制备方法，以酚醛树脂、环氧树脂等或它们的混合物与固化剂按一定的重量比充分混合、加热固化，将固化料粉碎后，加入聚乙烯醇等为造孔剂和石墨粉等为支撑剂，充分混合后压制成预制体，在气体保护下高温碳化，得到中大孔炭。采用本方法制备的中大孔炭具有制备方法简单、孔径大小易于调控等优点，中大孔炭的孔径在50nm～10μm可调，比表面积100～1000m²/g，可用于超级电容器的电极材料、锂离子电池的电极材料、电容法除盐设备的电极材料、血液净化、催化剂载体、水处理、气体净化、溶剂回收等。

Description

一种中大孔炭的制备方法

技术领域

本发明涉及炭材料制备方法及其应用，特别涉及一种中大孔炭的制备方法，由此制备的中大孔炭具有100～1000m²/g的比表面积，导电性好，可用于催化剂载体，还可用作电化学电容器和锂离子电池的电极材料等。

技术背景

多孔炭材料指具有不同孔隙结构的碳素材料，孔隙尺寸具有较宽的范围，通过不同的技术手段可以进行调节。由于具有发达的孔隙、高比表面积、高孔容、孔径尺寸可在一定范围内调节等特点，多孔炭材料作为一种吸附材料已广泛应用在水质净化、气体分离、溶剂回收、脱色等领域，还可用于催化剂载体和锂离子电池、超级电容器的电极材料等。活性炭的制备一般需要先将含碳材料碳化，而后采用物理活化法、化学活化法或物理-化学联合活化法，制备出比较合适的孔隙结构。普通活性炭微孔发达，比表面积高，但是存在中孔少、导电性低等缺点。微孔结构不利于大分子的催化反应，还会吸附杂质导致活性降低。为了得到中孔和大孔，一般采取活化的方法，这样需要烧掉一部分炭，导致材料损失。同时，当采用化学活化时，蒸气和飞沫对环境的污染大，活化完成时活性炭的洗涤产生大量废液也会严重污染环境。如CN1152546介绍了一种以煤为原料制备中孔发达的活性炭的方法，将无烟煤、肥煤和磺化煤混合、破碎、磨粉，混以煤焦油和纸浆液压制成型、碳化、活化。

模板法制备多孔炭是一种可控孔结构的方法，得到的炭材料可以复制模板的孔隙结构。如CN1330566C提供了一种制备规则结构和高比表面积的多孔炭。以沸石为模板，在模板中加入含碳材料后碳化、脱模，得到多孔炭。但是这种模板法制备多孔炭需要脱出模板，不但制备步骤多、程序复杂，还要用到氢氟酸等强酸或强碱，严重污染环境。

以上方法受限于材料结构和制备工艺而不能宽范围的调控炭材料的孔隙结构，特别是不能制备出孔隙在数百纳米甚至微米级的孔隙。专利CN101585527A(公开号)提出了碳酸钙等纳米级颗粒作为模板的制备中大孔多孔炭的方法，可以制备出大中孔炭材料。但是该方法仍需要采用盐酸等强酸来洗出模板剂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备中大孔炭的简便方法。不同于现有的碳化活化路线、模板法等方法，本发明的思路是：以具有较低残炭量、较低分解温度的有机材料的造孔剂添加到高残炭量、高分解温度的材料中，通过控制温度、压制压力和材料比例等条件，在不需活化的情况下制备得到具有合适大孔、中孔结构的炭材料。

本发明的具体实现如下：

一种中大孔炭的制备方法，其特征在于该方法以酚醛树脂、环氧树脂、聚偏氟乙烯树脂、糠醛树脂、聚丙烯酸树脂、聚氨酯树脂或它们的混合物作为碳源与固化剂按重量比1∶0.03～1∶0.3混合，在160～290℃加热固化30～120min得到固化料；将固化料粉碎后，加入聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚酰亚胺树脂作为造孔剂，固化料与造孔剂的重量比例为10∶1～10∶10；加入石墨粉、活性炭粉、活性炭纤维、纳米碳管或石墨纤维作为支撑剂，支撑剂的颗粒大小控制在0.01～40μm，固化料与支撑剂的重量比例为1∶0.1～1∶1；混合后在1～50MPa压力下压制成厚度在0.2mm以上的预制体，将预制体放入碳化反应室中，在气体保护下以1～15℃/min的速率控制升温到650～1200℃，并在升温终点恒温30～300min，冷却到室温，即得到中大孔炭。

固化剂是六次甲基四胺、对甲苯磺酸、甲醛、苯磺酰氯、聚甲醛中一种以上物质。

保护性气体是氮气、氦气、氩气、氢气、氨气中一种以上气体，保护性气体在反应室中的线流速不小于5cm/min。

固化料加热固化的气氛为空气或氧气。

固化料和造孔剂的颗粒大小控制在3～80μm。

碳源与固化剂的混合为直接混合、溶液溶解法或球磨混合法。

固化料和造孔剂的混合为直接混合或球磨混合法。

固化料和造孔剂的混合物与支撑剂混合为直接混合或球磨混合法。

本发明提出的制备方法在160℃～290℃加热固化树脂材料，可以达到一定程度的表面氧化，降低碳化过程中颗粒的融合，增加颗粒之间的孔隙。碳化过程中，聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚酰亚胺树脂等材料在600℃以下分解留下孔、树脂同时发生部分融化和分解留下颗粒间的孔，更高温度下碳化完全、电导率提高、孔部分收缩。造孔剂的多少、固化料和造孔剂颗粒大小影响得到的中大孔炭的孔径大小，石墨粉等支撑剂可以一定程度上阻止碳化过程中的基体收缩，使多孔炭的孔隙结构趋于稳定和加大孔径。

本发明提出的制备方法具有如下特点：

1、方法简单，原料经低温稳定化处理后，破碎、压制成型、碳化，即可制备出具有大孔、中孔结构多孔炭；2、孔径可调，只需选择高含碳材料与造孔剂比例，通过不同的温度、压制压力和材料比例，可以控制孔径在中孔、百纳米级孔和微米级孔隙范围变化。

该法生产的多孔具有100～1000m²/g的比表面积、0.1～100S/cm的导电率，可用于催化剂载体、水处理材料、气体净化、溶剂回收等，还可用作电化学电容器和锂离子电池的电极材料等等。

具体实施方式

实施例1

取10g线型酚醛树脂和0.1g六次甲基四胺一起放入球磨罐中，在室温下以500转/min的转速球磨60min，使线型酚醛树脂和六次甲基四胺完全均匀混合。将混合物置于镍舟中，放于马弗炉内(空气氛)，以10℃/min的速度加热至160℃固化30min，得到固化料。将固化料初步破碎，用球磨机研磨12小时，得到细粉状固化物，颗粒度在10微米左右。取聚乙烯醇缩丁醛(颗粒度50微米左右)1g、活性炭粉(颗粒度50微米左右，比表面积800m²/g，电导率约1S/cm)1g和粉碎的10g固化料球磨混合60min，取混合好的粉末以50MPa的压力压成0.5mm的薄片。将预制片放入管式炉中，以高纯氮气为保护气(线流速5cm/min)，5℃/min的速度升温至1200℃，在1200℃恒温30min，自然冷却到室温，断保护气。得到的多孔炭材料比表面积约100m²/g，孔隙集中在20纳米左右，孔容在0.3ml/g左右，电导率约100S/cm。

实施例2

取5g线型酚醛树脂和5g环氧树脂，用10ml无水乙醇溶解，加入5ml溶有0.3g六次甲基四胺无水乙醇，完全均匀混合。将混合物在100℃左右蒸去乙醇后置于镍舟中，放于马弗炉内(空气氛)，于290℃固化120分钟，得到固化料。将固化料初步破碎，用球磨机研磨24小时，得到细粉状固化物，颗粒度在5～8微米左右。取聚乙烯醇缩丁醛(颗粒度50微米左右)10g，球磨粉碎约10小时，颗粒度降低到10微米左右，将此聚乙烯醇缩丁醛10g、活性炭粉(颗粒度10微米左右，比表面积800m²/g，电导率约1S/cm)10g和粉碎的10g固化料球磨混合60min，取混合好的粉末以50MPa的压力压成1.0mm的薄片。将预制片放入管式炉中，以高纯氩气为保护气(线流速8cm/min)，2℃/min的速度升温至1200℃，在1200℃恒温30min，自然冷却到室温，断保护气。得到的多孔炭材料比表面积约800m²/g，孔隙集中在400纳米左右，孔容在1.5ml/g左右，电导率约30S/cm。

实施例3

取10g线型酚醛树脂和0.1g六次甲基四胺一起放入球磨罐中，在室温下以500转/min的转速球磨60min，使线型酚醛树脂和六次甲基四胺完全均匀混合。将混合物置于镍舟中，放于马弗炉内(空气氛)，以10℃/min的速度加热至160℃固化30分钟，得到固化料。将固化料初步破碎，用球磨机研磨5小时，得到细粉状固化物，颗粒度在30微米左右。取聚乙烯醇缩丁醛(颗粒度50微米左右)5g、碳纳米管(颗粒度10微米左右，比表面积100m²/g，电导率约200S/cm)1g，和粉碎的10g固化料用球磨混合60min，取混合好的粉末以20MPa的压力压成1.0mm的薄片。将预制片放入管式炉中，以高纯氮气为保护气(线流速8cm/min)，5℃/min的速度升温至1000℃，在1000℃恒温60min，自然冷却到室温，断保护气。得到的多孔炭材料比表面积约400m²/g，孔隙集中在3000纳米左右，孔容在1.2ml/g左右，电导率约20S/cm。

实施例4

取10g线型酚醛树脂和0.15g六次甲基四胺一起放入球磨罐中，在室温下以500转/min的转速球磨60min，使线型酚醛树脂和六次甲基四胺完全均匀混合。将混合物置于镍舟中，放于马弗炉内(空气氛)，在250℃固化120分钟，得到固化料。将固化料初步破碎，用球磨机研磨1小时，得到细粉状固化物，颗粒度在80微米左右。取聚乙烯醇缩丁醛(颗粒度50微米左右)2.5g、碳纳米管(颗粒度10微米左右，比表面积100m²/g，电导率约200S/cm)1g，和粉碎的固化料用球磨混合30分钟，取混合好的粉末以20MPa的压力压成1.0mm的薄片。将预制片放入管式炉中，以高纯氮气为保护气(线流速8cm/min)，15℃/min的速度升温至650℃，在650℃恒温300min，自然冷却到室温，断保护气。得到的多孔炭材料比表面积约350m²/g，孔隙集中在8000纳米左右，孔容在0.8ml/g左右，电导率约0.2S/cm。

实施例5

取10g线型酚醛树脂和0.1g六次甲基四胺一起放入球磨罐中，在室温下以500转/min的转速球磨60min，使线型酚醛树脂和六次甲基四胺完全均匀混合。将混合物置于镍舟中，放于马弗炉内(空气氛)，在250℃固化120分钟，得到固化料。将固化料初步破碎，用球磨机研磨5小时，得到细粉状固化物，颗粒度在30微米左右。取聚乙烯醇缩丁醛(颗粒度50微米左右)5g、活性炭粉(颗粒度50微米左右，比表面积1000m²/g，电导率约2S/cm)5g，和粉碎的固化料用球磨混合60分钟，取混合好的粉末以20MPa的压力压成1.0mm的薄片。将预制片放入管式炉中，以高纯氮气为保护气(线流速8cm/min)，5℃/min的速度升温至1000℃，在1000℃恒温60min，自然冷却到室温，断保护气。得到的多孔炭材料比表面积约800m²/g(活性炭的贡献约300m²/g)，孔隙集中在3000纳米左右，孔容在1.2ml/g左右，电导率约20S/cm。

实施例6

取10g线型酚醛树脂和0.1g六次甲基四胺一起放入球磨罐中，在室温下以500转/min的转速球磨120min，使线型酚醛树脂和六次甲基四胺完全均匀混合。将混合物置于镍舟中，放于马弗炉内(空气氛)，在160℃固化30分钟，得到固化料。将固化料初步破碎，用球磨机研磨5小时，得到细粉状固化物，颗粒度在30微米左右。取聚乙烯醇缩丁醛(颗粒度50微米左右)5g、活性炭粉(颗粒度50微米左右，比表面积1000m²/g，电导率约2S/cm)10.1g，和粉碎的固化料用球磨混合60分钟，取混合好的粉末以20MPa的压力压成1.5mm的薄片。将预制片放入管式炉中，以高纯氮气为保护气(线流速8cm/min)，1℃/min的速度升温至650℃，在650℃恒温60min，自然冷却到室温，断保护气。得到的多孔炭材料比表面积约1100m²/g(活性炭的贡献约600m²/g)，孔隙集中在1000纳米左右，孔容在1.5ml/g左右，电导率约10S/cm。

Claims

1.一种中大孔炭的制备方法，其特征在于该方法以酚醛树脂、环氧树脂、聚偏氟乙烯树脂、糠醛树脂、聚丙烯酸树脂、聚氨酯树脂或它们的混合物作为碳源与固化剂按重量比1∶0.03～1∶0.3混合，在160～290℃加热固化30～120min得到固化料；将固化料粉碎后，加入聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚酰亚胺树脂作为造孔剂，固化料与造孔剂的重量比例为10∶1～10∶10；加入石墨粉、活性炭粉、活性炭纤维、纳米碳管或石墨纤维作为支撑剂，支撑剂的颗粒大小控制在0.01～40μm，固化料与支撑剂的重量比例为1∶0.1～1∶1；混合后在1～50MPa压力下压制成厚度在0.2mm以上的预制体，将预制体放入碳化反应室中，在气体保护下以1～15℃/min的速率控制升温到650～1200℃，并在升温终点恒温30～300min，冷却到室温，即得到中大孔炭。

2.根据权利要求1所述的一种中大孔炭的制备方法，其特征在于固化剂是六次甲基四胺、对甲苯磺酸、甲醛、苯磺酰氯、聚甲醛中一种以上物质。

3.根据权利要求1所述的一种中大孔炭的制备方法，其特征在于保护性气体是氮气、氦气、氩气、氢气、氨气中一种以上气体，保护性气体在反应室中的线流速不小于5cm/min。

4.根据权利要求1所述的一种中大孔炭的制备方法，其特征在于固化料加热固化的气氛为空气或氧气；固化料和造孔剂的颗粒大小控制在3～80μm。

5.根据权利要求1所述的一种中大孔炭的制备方法，其特征在于碳源与固化剂的混合为直接混合、溶液溶解法或球磨混合法。

6.根据权利要求1所述的一种中大孔炭的制备方法，其特征在于固化料和造孔剂的混合为直接混合或球磨混合法。

7.根据权利要求1所述的一种中大孔炭的制备方法，其特征在于固化料和造孔剂的混合物与支撑剂混合为直接混合或球磨混合法。