CN104445152B - 一种大孔炭材料的制备方法及其产品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大孔炭材料的制备方法及其产品，所述的制备方法包括：以大孔酚醛树脂为炭源，FeCl3为催化剂；通过对酚醛树脂、FeCl3进行炭化、加热处理后，即得大孔炭材料。本发明通过以大孔酚醛树脂为炭源，以FeCl3为催化剂，缓慢氧化及催化、炭化同时进行，利用大孔酚醛树脂的结构导向作用并利用FeCl3中Fe元素的kirkendall扩散效应，使得Fe元素进入酚醛树脂板对炭孔进行修饰，并最终制得孔壁更加光滑、规则且坚固的大孔炭材料；同时制备得到的大孔炭材料的孔洞分布更加均匀。
Description
技术领域
本发明涉及一种大孔炭材料的制备方法及其产品，属于新材料制备技术领域。
背景技术
大孔材料一直是材料领域的研究热点，在诸多大孔材料中，大孔炭材料在现代科学研究中的应用越来越多。大孔炭材料的孔径大于50nm，并且其表面疏水，弱酸碱性、化学惰性高，热稳定性和机械稳定性良好，此外，它的大的孔径和高比表面积，可以加速物质传输及为反应物提供更多的表面活性吸附位点，因而在有害物质的吸附、催化载体和电化学等方面得到了广泛的关注。基于应用方面不断扩大的需求，大孔炭材料的市场前景是十分明朗并且广阔的。
经过大量调研研究表明，大孔炭材料的孔径大小、孔壁光滑程度以及孔洞的分布等直接影响着材料的吸附强度、催化能力等诸多性能。因此，制备大孔炭材料的关键是对其孔径大小、孔壁光滑程度、孔洞的分布等微观结构进行调控。
目前，大孔炭材料大多采用硬、软模板法或物理活化法、化学活化法合成，然而物理活化法基本上都需要800℃以上高温，而且制备得到的大孔炭材料的孔壁较为粗糙、不整齐、不坚固；化学活化法基本上也都需要800℃以上的高温，而且制备得到的大孔炭材料的孔壁也较为粗糙、不整齐、不坚固，同时制备工艺复杂，对设备的要求也极高，另外制备过程中所需的KCNS等化学试剂对环境的污染也非常严重，因而急需进行改进。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种大孔炭材料的制备方法及其产品，它可以有效解决现有技术中存在的问题，尤其是采用物理活化法及化学活化法制备得到的大孔炭材料的孔壁较为粗糙、不整齐、不坚固的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种大孔炭材料的制备方法，以大孔酚醛树脂为炭源，FeCl3为催化剂；通过对酚醛树脂进行炭化、加热处理后，即得大孔炭材料。
本发明的大孔炭材料的制备方法，具体包括以下步骤：
S1.取酚醛树脂进行发泡处理，得大孔酚醛泡沫板；
S2.将所述的大孔酚醛泡沫板于200～250℃下进行炭化，得炭化酚醛泡沫板；
S3.取FeCl3粉末，覆盖于所述的炭化酚醛泡沫板上；
S4.将覆盖FeCl3粉末的炭化酚醛泡沫板加热升温至200～600℃，恒温1～2d，即得大孔炭材料。
前述的大孔炭材料为块体大孔炭材料或粉末大孔炭材料。
具体的，所述的块体大孔炭材料通过以下方法制备而成：
S11.取酚醛树脂，进行发泡处理，得大孔酚醛泡沫板；
S21.将所述的大孔酚醛泡沫板于200～250℃下进行炭化，得炭化酚醛泡沫板；
S31.取FeCl3粉末，覆盖于所述的炭化酚醛泡沫板上，得A品；
S41将A品置于真空条件下加热至140～160℃，恒温2～3h，得B品；
S51.取出B品，并将其在常压条件下加热升温至200～600℃，恒温1～2d，即得块体大孔炭材料。
优选的，步骤S51还包括：取出B品，将其在空气中冷却至稍高于室温，并使其外表剩余的熔融FeCl3凝固并氧化。
前述的大孔炭材料的制备方法，步骤S41中，将A品置于真空条件下加热至140℃；步骤S51中，将B品在空气中加热升温至200～300℃；步骤S51中，优选为将B品在空气中加热升温至240℃。
本发明中所述的粉末大孔炭材料通过以下方法制备而成：
S12.取酚醛树脂，进行发泡处理，得大孔酚醛泡沫板；
S22.将所述的大孔酚醛泡沫板粉碎并研磨，得粗制酚醛树脂粉末；
S32.将所述的粗制酚醛树脂粉末细致研磨后于200～250℃下进行炭化，得炭化酚醛树脂粉末；
S42.取FeCl3粉末，将FeCl3粉末与炭化酚醛树脂粉末均匀混合，得混合样品；
S52.将该混合样品加热升温至200～600℃，恒温1～2d，即得粉末大孔炭材料。
前述的大孔炭材料的制备方法中，所述的大孔酚醛泡沫板的孔径为10～100μm，从而使其更适合作为催化剂载体。
前述方法中，所述的FeCl3粉末与炭化酚醛泡沫板或炭化酚醛树脂粉末的质量比为2～5：2，从而可以保证FeCl3粉末较好的完全渗入大孔酚醛泡沫板中，使制备得到的大孔炭材料的孔壁更加光滑、规则且坚固。
前述方法中，优选的恒温时间为2d，优选的炭化温度为220℃。
前述方法中，优选的，步骤S52中，将混合样品加热升温至200～300℃；更优选的，步骤S52中，将混合样品加热升温至240℃。
由前述方法制备得到的大孔炭材料。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明通过以大孔酚醛树脂为炭源，以FeCl3为催化剂，缓慢氧化及催化、炭化同时进行，利用大孔酚醛树脂的结构导向作用并利用FeCl3中Fe元素的kirkendall扩散效应，使得Fe元素进入酚醛树脂板对炭孔进行修饰，并最终制得孔壁更加光滑、规则且坚固的大孔炭材料；
2.本发明制备得到的大孔炭材料的孔洞分布更加均匀；
3.本发明制备过程中无需较高的温度和极为苛刻的反应条件，克服了现有的物理法活化法及化学活化法存在的缺点，同时本发明的制备工艺简单，对设备的要求低；
4.本发明的制备方法中，原材料造价低廉，操作难度及反应条件要求均较低，因而适合大批量的进行生产；
5.本发明制备过程中并不涉及污染环境的化学试剂，因而环保性较好；
6.制备块体大孔炭材料时，对A品进行真空加热处理，从而可以使得FeCl3有效渗入酚醛树脂板，对炭孔进行修饰，获得孔壁更加光滑、规则且坚固的块体大孔炭材料。
附图说明
图1为块体大孔炭材料的制备方法流程图；
图2为粉末大孔炭材料的制备方法流程图；
图3为实施例1中块体大孔炭材料的扫描电镜(SEM)图；
图4为实施例4中粉末大孔炭材料的扫描电镜(SEM)图。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
本发明的实施例1：一种块体大孔炭材料，如图1所示，通过以下方法制备而成：以大孔酚醛树脂为炭源，FeCl3为催化剂；通过对酚醛树脂进行炭化、加热处理后，即得；具体包括以下步骤：
S11.取酚醛树脂，进行发泡处理，得孔径为10～100μm的大孔酚醛泡沫板；
S21.裁剪大孔酚醛泡沫板约0.05～0.1m3，将所述的大孔酚醛泡沫板于200～250℃下进行炭化，得炭化酚醛泡沫板；
S31.取FeCl3粗粉末约20～30g进行细致研磨，其中，FeCl3粗粉末与炭化酚醛泡沫板的质量比为2：1；将炭化酚醛泡沫板置于容器中，并将细致研磨后的FeCl3粉末覆盖至炭化酚醛泡沫板上，得A品；
S41将A品置于真空条件下加热至140℃，恒温2～3h，得B品；
S51.取出B品，将其在空气中冷却至稍高于室温，并使其外表剩余的少量的熔融FeCl3凝固并氧化；然后将B品在非真空条件下加热升温至240℃，恒温1～2d，即得块体大孔炭材料。其扫描电镜(SEM)图如图3所示，由图3可知：FeCl3有效渗入酚醛树脂板，对炭孔进行修饰，获得了孔壁更加光滑、规则且坚固的块体大孔炭材料，同时该块体大孔炭材料孔洞分布也较均匀。
实施例2：一种块体大孔炭材料，通过以下方法制备而成：以大孔酚醛树脂为炭源，FeCl3为催化剂；通过对酚醛树脂进行炭化、加热处理后，即得；具体包括以下步骤：
S11.取酚醛树脂，进行发泡处理，得孔径为10～100μm的大孔酚醛泡沫板；
S21.将所述的大孔酚醛泡沫板于200～250℃下进行炭化，得炭化酚醛泡沫板；
S31.取FeCl3粉末，覆盖于所述的炭化酚醛泡沫板上，得A品；其中，FeCl3粉末与炭化酚醛泡沫板的质量比为2：1；
S41将A品置于真空条件下加热至160℃，恒温2～3h，得B品；
S51.取出B品，并将其在常压条件下加热升温至300℃，恒温1～2d，即得块体大孔炭材料。
实施例3：一种块体大孔炭材料，通过以下方法制备而成：以大孔酚醛树脂为炭源，FeCl3为催化剂；通过对酚醛树脂进行炭化、加热处理后，即得；具体包括以下步骤：
S11.取酚醛树脂，进行发泡处理，得大孔酚醛泡沫板；
S21.将所述的大孔酚醛泡沫板于200～250℃下进行炭化，得炭化酚醛泡沫板；
S31.取FeCl3粗粉末约20～30g进行细致研磨，覆盖于所述的炭化酚醛泡沫板上，得A品；其中，FeCl3粗粉末与炭化酚醛泡沫板的质量比为5：2；
S41将A品置于真空条件下加热至140～160℃，恒温2～3h，得B品；
S51.取出B品，冷却后，并将其在常压条件下加热升温至240℃，恒温1～2d，即得块体大孔炭材料。
实施例4：一种粉末大孔炭材料，如图2所示，通过以下方法制备而成：以大孔酚醛树脂为炭源，FeCl3为催化剂；通过对酚醛树脂进行炭化、加热处理后，即得；具体包括以下步骤：
S12.取酚醛树脂，进行发泡处理，得孔径为10～100μm的大孔酚醛泡沫板；
S22.裁取大孔酚醛泡沫板约0.05～0.1m3，将所述的大孔酚醛泡沫板粉碎并研磨，得粗制酚醛树脂粉末；再用200目的筛子筛出细致均匀的酚醛树脂粉末；
S32.将所述的细致均匀的酚醛树脂粉末细致研磨后于200～250℃下进行炭化，得炭化酚醛树脂粉末；
S42.取FeCl3粗粉末约10～15g进行细致研磨，将细致研磨后的FeCl3粉末与炭化酚醛树脂粉末进行机械搅拌后，再次研磨至均匀混合，得混合样品；其中，所述的FeCl3粗粉末与炭化酚醛树脂粉末的质量比为2：1；
S52.将该混合样品加热升温至240℃，恒温1～2d，即得粉末大孔炭材料。
其扫描电镜(SEM)图如图4所示，由图4可知：FeCl3有效渗入酚醛树脂板，对炭孔进行修饰，获得了孔壁更加光滑、规则且坚固的粉末大孔炭材料，同时该粉末大孔炭材料孔洞分布也较均匀。
实施例5：一种粉末大孔炭材料，通过以下方法制备而成：以大孔酚醛树脂为炭源，FeCl3为催化剂；通过对酚醛树脂进行炭化、加热处理后，即得；具体包括以下步骤：
S12.取酚醛树脂，进行发泡处理，得孔径为10～100μm的大孔酚醛泡沫板；
S22.将所述的大孔酚醛泡沫板粉碎并研磨，得粗制酚醛树脂粉末；
S32将所述的粗制酚醛树脂粉末细致研磨后，用200目的筛子筛出细致均匀的酚醛树脂粉末，并将该细致均匀的酚醛树脂粉末于200～250℃下进行炭化，得炭化酚醛树脂粉末；
S42.取FeCl3粉末，将FeCl3粉末与炭化酚醛树脂粉末均匀混合，得混合样品；其中，所述的FeCl3粉末与炭化酚醛树脂粉末的质量比为1～2:1；
S52.将该混合样品加热升温至200～300℃，恒温1～2d，即得粉末大孔炭材料。
实施例6：一种粉末大孔炭材料，通过以下方法制备而成：以大孔酚醛树脂为炭源，FeCl3为催化剂；通过对酚醛树脂进行炭化、加热处理后，即得；具体包括以下步骤：
S12.取酚醛树脂，进行发泡处理，得孔径为10～100μm的大孔酚醛泡沫板；
S22.将所述的大孔酚醛泡沫板粉碎并研磨，得粗制酚醛树脂粉末，将该粗制酚醛树脂粉末过200～300目的筛子，得均匀的酚醛树脂粉末；
S32.将该均匀的酚醛树脂粉末细致研磨后于200～250℃下进行炭化，得炭化酚醛树脂粉末；
S42.取FeCl3粉末，将FeCl3粉末与炭化酚醛树脂粉末均匀混合，得混合样品；其中，所述的FeCl3粉末与炭化酚醛树脂粉末的质量比为2：1；
S52.将该混合样品加热升温至300～600℃，恒温1～2d，即得粉末大孔炭材料。
实施例7：一种粉末大孔炭材料，通过以下方法制备而成：以大孔酚醛树脂为炭源，FeCl3为催化剂；通过对酚醛树脂进行炭化、加热处理后，即得；具体包括以下步骤：
S12.取酚醛树脂，进行发泡处理，得孔径为10～100μm的大孔酚醛泡沫板；
S22.将所述的大孔酚醛泡沫板粉碎并研磨，得粗制酚醛树脂粉末，将该粗制酚醛树脂粉末过300目的筛子，得均匀的酚醛树脂粉末；
S32.将该均匀的酚醛树脂粉末细致研磨后于220℃下进行炭化，得炭化酚醛树脂粉末；
S42.取FeCl3粉末，将FeCl3粉末与炭化酚醛树脂粉末均匀混合，得混合样品；其中，所述的FeCl3粉末与炭化酚醛树脂粉末的质量比为2：1；
S52.将该混合样品加热升温至240℃，恒温2d，即得粉末大孔炭材料。
Claims (10)
1.一种大孔炭材料的制备方法，其特征在于，以大孔酚醛树脂为炭源，FeCl3为催化剂；
通过对酚醛树脂进行炭化、加热处理后，即得大孔炭材料；具体包括以下步骤：
S1.取酚醛树脂，进行发泡处理，得大孔酚醛泡沫板；
S2.将所述的大孔酚醛泡沫板于200～250℃下进行炭化，得炭化酚醛泡沫板；
S3.取FeCl3粉末，覆盖于所述的炭化酚醛泡沫板上；
S4.将覆盖FeCl3粉末的炭化酚醛泡沫板加热升温至200～600℃，恒温1～2d，即得大孔炭材料。
2.根据权利要求1所述的大孔炭材料的制备方法，其特征在于，所述的大孔炭材料为块体大孔炭材料或粉末大孔炭材料。
3.根据权利要求2所述的大孔炭材料的制备方法，其特征在于，所述的块体大孔炭材料通过以下方法制备而成：
S11.取酚醛树脂，进行发泡处理，得大孔酚醛泡沫板；
S21.将所述的大孔酚醛泡沫板于200～250℃下进行炭化，得炭化酚醛泡沫板；
S31.取FeCl3粉末，覆盖于所述的炭化酚醛泡沫板上，得A品；
S41将A品置于真空条件下加热至140～160℃，恒温2～3h，得B品；
S51.取出B品，并将其在常压条件下加热升温至200～600℃，恒温1～2d，即得块体大孔炭材料。
4.根据权利要求3所述的大孔炭材料的制备方法，其特征在于，步骤S51还包括：取出B品，将其在空气中冷却至稍高于室温，并使其外表剩余的熔融FeCl3凝固并氧化。
5.根据权利要求3所述的大孔炭材料的制备方法，其特征在于，步骤S41中，将A品置于真空条件下加热至140℃；步骤S51中，将B品在空气中加热升温至200～300℃。
6.根据权利要求5所述的大孔炭材料的制备方法，其特征在于，步骤S51中，将B品在空气中加热升温至240℃。
7.根据权利要求3所述的大孔炭材料的制备方法，其特征在于，所述的粉末大孔炭材料通过以下方法制备而成：
S12.取酚醛树脂，进行发泡处理，得大孔酚醛泡沫板；
S22.将所述的大孔酚醛泡沫板粉碎并研磨，得粗制酚醛树脂粉末；
S32.将所述的粗制酚醛树脂粉末细致研磨后于200～250℃下进行炭化，得炭化酚醛树脂粉末；
S42.取FeCl3粉末，将FeCl3粉末与炭化酚醛树脂粉末均匀混合，得混合样品；
S52.将该混合样品加热升温至200～600℃，恒温1～2d，即得粉末大孔炭材料。
8.根据权利要求1～7任一所述的大孔炭材料的制备方法，其特征在于，所述的大孔酚醛泡沫板的孔径为10～100μm。
9.根据权利要求1～7任一所述的大孔炭材料的制备方法，其特征在于，所述的FeCl3粉末与炭化酚醛泡沫板或炭化酚醛树脂粉末的质量比为2～5：2。
10.由权利要求1～9任一所述方法制备得到的大孔炭材料。
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