CN107934958A - 一种绿色活化剂在制备多孔炭材料中的应用 - Google Patents
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Abstract
一种绿色活化剂在制备多孔炭材料中的应用，将农业废弃物作为炭前躯体，250℃水热处理4小时，过滤得到棕色固体残渣；将棕色固体残渣与甲酸钾按质量比1:4溶解于超纯水中，70℃加热搅拌4h，120℃烘干；取出样品，玛瑙研钵将其粉碎，在管式马弗炉中氮气保护下600‑850℃高温碳化、活化1‑4个小时，冷却后得到黑色固体残渣；用0‑80℃ 10% V/V盐酸清洗，然后用去离子水清洗，抽滤，烘干得多孔炭材料。相比于传统的活化剂，本发明的活化剂廉价，无毒，无腐蚀，环境友好，满足可持续发展战略的需求，对生产仪器设备要求简单，生成的炭材料存在一定程度的石墨烯化，比表面积高，且拥有较宽的孔径分布。此外，农业废弃物可以作为炭前驱体，实现农业废弃物的高价值回收利用。
Description
技术领域
本发明涉及材料制备领域，特别是涉及一种绿色活化剂在制备多孔炭材料中的应用。
背景技术
多孔炭是一类物理化学性质稳定、比表面积高、孔隙结构发达的碳质材料。近些年，随着相关研究的深入，多孔炭已成功的应用于气体存储、电能存储和转换、水体与空气净化和催化载体等领域，且其需求量日益渐增。目前，化学试剂活化法制备多孔炭是一种简单、便捷的方法，已被推广使用。但是，已知的传统活化剂均为磷酸（H3PO4）、氢氧化钾（KOH）、氢氧化钠（NaOH）、氯化锌（ZnCl2）、叔丁醇钾（C4H9KO）、硝酸镁（Mg(NO3)2）等腐蚀性或危险性化学试剂，价格昂贵、污染环境、腐蚀仪器、危险系数高，不符合可持续发展战略，限制了进一步大量的生产和应用。因此，发明一种高效制备多孔炭材料的绿色活化剂是十分重要和急迫的。
发明内容
解决的技术问题：针对上述化学活化剂缺陷，本发明提供一种绿色活化剂在制备多孔炭材料中的应用。甲酸钾常被用作石油钻井和融雪剂，无毒无腐蚀，廉价，环境友好，可以制备比表面积高，孔隙结构好的多孔炭材料，为工业可持续生产大量多孔炭材料提供一定的技术支撑。
技术方案：一种绿色活化剂甲酸钾在制备多孔炭材料中的应用。
上述应用的具体步骤为，将农业废弃物作为炭前躯体，250℃水热处理4小时，过滤得到棕色固体残渣；将棕色固体残渣与甲酸钾按质量比1:4溶解于超纯水中，70℃加热搅拌4h，120℃烘干；取出样品，玛瑙研钵将其粉碎，在管式马弗炉中氮气保护下600-850℃高温碳化、活化1-4个小时，冷却后得到黑色固体残渣；用0-80℃ 10% V/V盐酸清洗，然后用去离子水清洗，抽滤，烘干得多孔炭材料。
优选的，上述农业废弃物为棉花秸秆。
优选的，上述高温碳化温度为850℃。
优选的，上述活化时间为1小时。
优选的，上述盐酸的温度为70℃。
有益效果：本发明的活化剂为甲酸钾，对环境无毒害、无腐蚀且廉价，是一种环保的绿色化学物质。农作废弃物可作为炭前驱体，实现废弃物的回收利用。将甲酸钾发展为活化剂可避免常规活化剂（氢氧化钾、氯化锌、磷酸）对作业设备和地球环境的危害，实现绿色、可持续的生产多孔炭材料。本发明将甲酸钾与炭前驱体在水溶液体系中搅拌混匀，直接加热生成多孔炭，过程简单，产品性能优异，部分石墨烯化，比表面积可达1608.94 m2 g-1,孔容可达0.76 cm3 g-1，包含微孔、介孔和大孔，以微孔为主，集中在1.2 nm。在载气、电子传递、电能存储、水体净化、环境监测等领域具有巨大的经济效益。
附图说明
图 1 为本发明使用棉花秸秆作为炭前驱体，甲酸钾为活化剂制备的多孔炭的氮气吸附脱附曲线。如图所示，该曲线属于典型的I型吸附脱附曲线，说明该材料以微孔为主要孔径。
图 2 为本发明使用棉花秸秆作为炭前驱体，甲酸钾为活化剂制备的多孔炭的孔径分布图。如图所示，该材料包含了微孔、介孔和大孔。其中微孔为主要孔径，且集中在1.2nm，可提供大量的存储位点。
图 3 为本发明使用棉花秸秆作为炭前驱体，甲酸钾为活化剂制备的多孔炭的电镜扫描图。如图所示，层状褶皱叠加，含有大孔，有助于电子、物质的质量传输。
图 4 为本发明使用棉花秸秆作为炭前驱体，甲酸钾为活化剂制备的多孔炭的拉曼光谱图。如图所示，D峰和G峰均存在，说明该活性炭是部分石墨烯化，其比值大于1，说明碳原子以sp2-C为主。
图 5 为本发明使用棉花秸秆作为炭前驱体，甲酸钾为活化剂制备的多孔炭的X射线衍射图谱。如图所示，六边形石墨烯的特征峰002峰和100峰均存在，说明该活性炭在制备过程中发生一定的石墨烯化。
具体实施方式
实施例1
本例选用棉花秸秆作为炭前驱体。称取16g秸秆粉末于50 mL去离子水中，装进水热反应器，250℃进行水热化处理4 h。冷却后，用去离子水冲洗，经抽滤得到褐色固体残渣（水热炭）。按质量比水热炭:甲酸钾= 1:4溶于超纯水，70℃ 磁离子搅拌4 h，120℃ 烘干。研钵粉碎，置于方形刚玉坩埚中，管式马弗炉中，氮气流速设置为400 mL/min，5℃/min加热至850℃，并保持1h，然后5℃/min 降温至室温，取出坩埚，黑色固体残渣先后经过70℃的10vol.% 盐酸和去离子水清洗，抽滤并置于烘箱中120℃ 烘干过夜。最后用玛瑙研钵粉碎得到多孔炭材料。理化性质见图1-5。使用BET模型得到比表面积为1608.94 m2·g-1。使用DFT模型计算孔容为0.76 cm3·g-1。
实施例2
本例选用棉花秸秆作为炭前驱体。称取16g秸秆粉末于50 mL去离子水中，装进水热反应器，250℃进行水热化处理4 h。冷却后，用去离子水冲洗，经抽滤得到褐色固体残渣（水热炭）。按质量比水热炭:甲酸钾= 1:4溶于超纯水，70℃ 磁离子搅拌4 h，120℃ 烘干。研钵粉碎，置于方形刚玉坩埚中，管式马弗炉中，氮气流速设置为50 mL/min，5℃/min加热至850℃，并保持1h，然后5℃/min 降温至室温，取出坩埚，黑色固体残渣先后经过70℃的10vol.%盐酸和去离子水清洗，抽滤并置于烘箱中120℃ 烘干过夜。最后用玛瑙研钵粉碎得到多孔炭材料。使用BET模型得到比表面积为1044.82 m2·g-1。使用DFT模型计算孔容为0.47cm3·g-1。
相比于传统的活化剂，本发明的活化剂廉价，无毒，无腐蚀，环境友好，满足可持续发展战略的需求，对生产仪器设备要求简单，生成的炭材料比表面积高，拥有较宽的孔径分布。此外，农业废弃物可以作为炭前驱体，实现农业废弃物的高价值回收利用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种绿色活化剂甲酸钾在制备多孔炭材料中的应用。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：将农业废弃物作为炭前躯体，250℃水热处理4小时，过滤得到棕色固体残渣；将棕色固体残渣与甲酸钾按质量比1:4溶解于超纯水中，70℃加热搅拌4h，120℃烘干；取出样品，玛瑙研钵将其粉碎，在管式马弗炉中氮气保护下600-850℃高温碳化、活化1-4个小时，冷却后得到黑色固体残渣；用0-80℃ 10% V/V盐酸清洗，然后用去离子水清洗，抽滤，烘干得多孔炭材料。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于所述农业废弃物为棉花秸秆。
4.根据权利要求2所述的应用，其特征在于所述高温碳化温度为850℃。
5.根据权利要求2所述的应用，其特征在于所述活化时间为1小时。
6.根据权利要求2所述的应用，其特征在于所述盐酸的温度为70℃。
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