CN104817065A

CN104817065A - 一种蜂窝状淀粉基多孔炭材料的制备方法

Info

Publication number: CN104817065A
Application number: CN201510156147.4A
Authority: CN
Inventors: 陈培荣; 汪友明; 程备久; 马欢; 柯飞; 何利芳; 张春艳; 陈震
Original assignee: Anhui Agricultural University AHAU
Current assignee: Anhui Agricultural University AHAU
Priority date: 2015-04-02
Filing date: 2015-04-02
Publication date: 2015-08-05

Abstract

本发明公开了一种蜂窝状淀粉基多孔炭材料的制备方法。所述蜂窝状淀粉基多孔炭材料是在一定气氛条件下，对淀粉进行预处理，使淀粉膨胀生孔；将此预处理淀粉按常规方法进行炭化处理，即得所述蜂窝状淀粉基多孔炭材料。本发明方法操作工艺简单，原料来源广泛，生产成本低，可实现工业化生产，适用于大分子吸附、催化、气体分离等领域，同时可作为微生物增殖及活动的载体。

Description

一种蜂窝状淀粉基多孔炭材料的制备方法

技术领域

本发明涉及多孔炭材料的制备方法，属于无机非金属材料制备技术领域，具体地说是一种蜂窝状淀粉基多孔炭材料的制备方法。

背景技术

多孔炭材料是指具有不同孔隙结构的成蜂窝状的炭基材料，其孔径可在与吸附分子尺寸相当的纳米级超细微孔至适于微生物增殖及活动的微米级细孔较宽的范围内变化。其孔洞按孔径大小可分为微孔(小于2nm)、中孔(2～50nm)和大孔(大于50nm)，多孔炭材料的吸附性能主要决定于微孔的数量。大孔常为被吸附分子提供快速到达微孔表面的通道，增加大孔数量，可有效提高材料的吸附效率。而当吸附质为聚合物、染料或者维生素时，只有中孔才能吸附这些大分子物质。因此，多孔炭的孔洞设计和控制对此类炭材料的性能的提升和应用领域的扩展具有重要意义。

常规的物理、化学活化法所制备的多孔炭主要以微孔为主，通过催化活化法、二次活化法、反向模版法等可制备富含中孔的炭材料，而关于大孔炭的制备尚无较成熟的方法。传统的合成方法通常存在合成困难、成本高且杂质去除较难等问题。因此，利用分子的自身结构或发展有机高分子自组装技术合成多孔炭材料受到了广泛的关注和重视。

淀粉是碳水化合物在绿色植物中的储藏形式，是一种重要的可再生和可生物降解的天然化合物，来源于各种植物资源(谷类、薯类、豆类等)。淀粉是一种常用的大孔造孔剂，利用其特有的性质，往往可以制备富含中孔、大孔的多孔炭。公开号为CN101323808A的专利利用土豆淀粉的糊化和老化性质制备了膨胀淀粉，通过控制不同的炭化温度得到不同孔径的多孔炭材料，将此炭材料与甲基硅油混合最终制备了多孔炭电流变液，该电流变液具有较好的抗沉降性能。公开号为CN101538033A的专利以酚醛树脂、淀粉、苯磺酰氯及固化催化剂为起始原料，通过预固化成型、深固化、碳化等工艺制得同时具有介孔和大孔孔径分布的碳素块体材料，该多孔炭适合环境保护、气体分离以及改善能源效率等方面的应用。说明随着生命科学的飞速发展和人们对纯天然产品的需求日益扩大，淀粉作为天然高分子多孔炭材料的应用愈来愈广泛。同时由于淀粉资源丰富、价格低廉，所制备的多孔炭环保无污染，符合当代绿色化学的要求，致使该类型多孔炭材料的开发应用备受研究者的青睐。

发明内容

本发明旨在提供一种蜂窝状淀粉基多孔炭材料的制备方法，本发明蜂窝状淀粉基多孔炭的孔径，可通过淀粉预膨胀的升温速率、加热温度、加热时间进行调控。所制备的多孔炭富含中孔和大孔，适用于大分子吸附、催化、气体分离等领域，同时可作为微生物增殖及活动的载体。

本发明提供了一种蜂窝状淀粉基多孔炭材料的制备方法，其特征在于按以下步骤操作：1)将淀粉放入加热炉中，按照设定的升温速率加热，加热至设定温度后，保温一定时间，对淀粉进行预膨胀处理；2)将步骤1)所得的预处理淀粉进行炭化处理，即制得蜂窝状淀粉基多孔炭材料。

进一步地，步骤1)设定的升温速率为0.4-25℃/min；优选所述设定的升温速率为5-20℃/min；更优选所述设定的升温速率为10-15℃。

进一步地，所述设定温度为80-280℃；优选为180-250℃；更优选为200-240℃。

进一步地，所述保温时间为4-80小时；优选所述保温时间为12-48小时；更优选为18-24小时。

进一步地，步骤1)是在气氛下进行的，优选所述气氛为选自空气、氮气、氧气、氢气、一氧化碳、二氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、稀有气体的一种或几种混合气氛；优选所述气氛为空气、氮气、氧气、二氧化碳；最优选所述气氛为空气。

进一步地，所述淀粉选自谷类淀粉、薯类淀粉、豆类淀粉或其他植物淀粉中的一种或多种；优选所述谷类淀粉为玉米淀粉、小麦淀粉；优选所述薯类淀粉为马铃薯淀粉或甘薯淀粉；优选所述豆类淀粉为黄豆淀粉或蚕豆淀粉；优选所述其他植物淀粉为藕淀粉。

进一步地，步骤2)的炭化处理是指采用炭化炉进行炭化；优选所述炭化处理的温度为600-1000℃，炭化的时间为0.5-5小时；更优选所述炭化处理的温度为700-800℃，炭化时间为1-2小时。

本发明的另一个方面在于提供一种根据上述制备方法制得的蜂窝状淀粉基多孔炭材料。

进一步地，所述炭材料的比表面积大于380m²/g，优选为380-450m²/g。

进一步地，所述炭材料的中孔大小为5～50nm，大孔为1～110μm。

本发明的突出特点有：①本发明所用的原料淀粉为天然高分子，来源广泛、价格低廉，为可再生资源；②操作工艺简单，生产成本低，可实现工业化生产；③采用简单的技术方法，所制备的多孔炭材料富含中孔和大孔，中孔主要分布在5～50nm之间，大孔主要分布在1～110μm之间。

附图说明

附图1是多孔炭的电镜照片，可以看出本发明的多孔碳孔洞大小均匀，比表面积大。

具体实施方式

此处描述的实施例只是一些优选的实施方法，用来进一步说明本发明，无意限制本发明到下述确定的细节。

实施例1：

在空气气氛下，向加热炉中加入80份的普通玉米淀粉，以10℃/min的升温速率将加热炉升至220℃，保温24小时后，即制得预膨胀普通玉米淀粉；将所制得的预膨胀普通玉米淀粉放入炭化炉中，在700℃氮气气氛下，炭化处理2小时，即得蜂窝状普通玉米淀粉多孔炭材料。该多孔炭的比表面积为405m²/g，中孔分布在5～40nm之间，大孔分布在50～90μm之间。

实施例2：

在空气气氛下，向加热炉中加入95份的马铃薯淀粉，以15℃/min的升温速率将加热炉升至200℃，保温18小时后，即制得预膨胀马铃薯淀粉；将所制得的预膨胀马铃薯淀粉放入炭化炉中，在750℃氮气气氛下，炭化处理1.5小时，即得蜂窝状马铃薯淀粉多孔炭材料。该多孔炭的比表面积为478m²/g，中孔分布在10～20nm之间，大孔分布在1～80μm之间。

实施例3：

在空气气氛下，向加热炉中加入100份的藕淀粉，以20℃/min的升温速率将加热炉升至240℃，保温36小时后，即制得预膨胀藕淀粉；将所制得的预膨胀藕淀粉放入炭化炉中，在800℃氮气气氛下，炭化处理1小时，即得蜂窝状藕淀粉多孔炭材料。该多孔炭的比表面积为380m²/g，中孔分布在40～50nm之间，大孔分布在70～110μm之间。

Claims

1.一种蜂窝状淀粉基多孔炭材料的制备方法，其特征在于按以下步骤操作：

1)将淀粉放入加热炉中，按照设定的升温速率加热，加热至设定温度后，保温一定时间，对淀粉进行预膨胀处理；

2)将步骤1)所得的预处理淀粉进行炭化处理，即制得蜂窝状淀粉基多孔炭材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

步骤1)设定的升温速率为0.4-25℃/min；优选所述设定的升温速率为5-20℃/min；更优选所述设定的升温速率为10-15℃。

3.根据权利要求1-2任一项所述的制备方法，其特征在于：所述设定温度为80-280℃；优选为180-250℃；更优选为200-240℃。

4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于：所述保温时间为4-80小时；优选所述保温时间为12-48小时；更优选为18-24小时。

5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤1)是在气氛下进行的，优选所述气氛为选自空气、氮气、氧气、氢气、一氧化碳、二氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、稀有气体的一种或几种混合气氛；优选所述气氛为空气、氮气、氧气、二氧化碳；最优选所述气氛为空气。

6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于：所述淀粉选自谷类淀粉、薯类淀粉、豆类淀粉或其他植物淀粉中的一种或多种；优选所述谷类淀粉为玉米淀粉、小麦淀粉；优选所述薯类淀粉为马铃薯淀粉或甘薯淀粉；优选所述豆类淀粉为黄豆淀粉或蚕豆淀粉；优选所述其他植物淀粉为藕淀粉。

7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤2)的炭化处理是指采用炭化炉进行炭化；优选所述炭化处理的温度为600-1000℃，炭化的时间为0.5-5小时；更优选所述炭化处理的温度为700-800℃，炭化时间为1-2小时。

8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法制得的蜂窝状淀粉基多孔炭材料。

9.权利要求8所述的蜂窝状淀粉基多孔炭材料，其特征在于，所述炭材料的比表面积大于380m²/g，优选为380-450m²/g。

10.权利要求8-9所述的蜂窝状淀粉基多孔炭材料，其特征在于，所述炭材料的中孔大小为5～50nm，大孔为1～110μm。