CN108069410A - 一种多孔碳材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然木材多孔碳材料及其制备方法，它是将切割成片状的天然木材在空气中加热预处理后，再在强碱水溶液中浸泡并烘干，然后于保护气下高温热解制得的；所述强碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化钙和氢氧化钡中的一种。本发明获得多孔碳材料不仅具有比表面积大、孔径分布均匀、导电性好的优点，而且化学反应活性增加；本发明制备的多孔碳材料用途广泛，可用于能源存储、吸附和水处理等方面。本发明采用物理浸渍法获得多孔碳材料，不仅方法简单易行，而且绿色无污染；原料来源广泛，成本低。

Description

一种多孔碳材料及其制备方法

技术领域

本发明属于节能环保技术领域，更具体地，涉及一种多孔碳材料及其制备方法。

背景技术

碳材料已经被应用到许多领域中，例如能源存储与转换领域的锂离子、钠离子电池，超级电容器等，以及吸附分离、催化剂载体等方面。但普通的碳材料的比表面积小，吸附性能相对较差，阻碍了其更加广泛的应用。

多孔碳材料主要有活性炭、活性炭纤维、碳分子筛以及九十年代新发展起来的碳纳米管等。微孔多孔碳材料是通过活化过程合成得到的，其中，无序的介孔多孔碳材料有多种合成方法，包括金属催化活化，有机气凝胶的碳化，使用硅纳米粒子的模板合成等；有序的多孔碳材料是利用分子筛作为模板剂得到的，比如：具有可调变的孔道结构的有序介孔多孔碳材料主要通过介孔硅材料MCM-48、HMS、SBA-15作为模板剂合成得到；具有石墨结构的有序介孔碳材料可以通过高温下将柔性结构的碳源转化成具有高度有序结构的石墨材料；有序的片层结构多孔碳材料也可以通过定向设计合成的硅材料为模板得到。但上述方法制备过程繁琐，制备周期长，且模板剂不能重复利用，成本较高，污染环境。

因此，基于多孔碳材料广阔的应用前景以及绿色环保理念的要求，寻求可代替的生物质多孔碳迫在眉睫。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种多孔碳材料。所述多孔碳材料具有丰富的孔隙率；比表面积大；易掺杂，以达到调节能带和电子传输的能力。

本发明的另一个目的在于提供一种多孔碳材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一种多孔碳材料，它是将切割成片状的天然木材在空气中加热预处理后，再在强碱水溶液中浸泡并烘干，然后于保护气下高温热解制得的；所述强碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化钙和氢氧化钡中的一种。

一种多孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将天然木材切割成厚度为5mm-5μm的木片；然后放入烘箱中烘干，使得所述木片的含水率为≤5％；

2)将烘干后的木片于空气中加热升温至150-1000℃进行第一次煅烧5-15h；然后降温；

3)将降温后的木片放入强碱水溶液中浸泡2-24h，然后于烘箱中烘干；

4)将步骤3)烘干后的木片于惰性气体氛围下加热升温至500-1500℃进行第二次煅烧1-10h，然后降温；得多孔碳材料；

优选地，还包括步骤5)，将所述多孔碳材料放入酸水溶液中浸泡3-10h，然后于烘箱中烘干。

本发明将切割后的木片放入烘箱中烘干，这是由于管式炉内没有水分，如果将切割后的木片直接放在管式炉中加热，会造成木片脱水过快，严重变形，进而导致木片微观结构皱缩或坍塌，因此为了让木片保持天然的结构特征，必须将其放入烘箱中以降低其含水率。

由于第一次煅烧后的木片已经碳化，因此本发明利用强碱浸泡降温后的木片，不仅可以更好地调节木片的微孔结构，而且可以将木片遗态碳骨架进行刻蚀。

优选地，所述碱为所述强碱水溶液的浓度为0.1-4mol/L。

优选地，由于高温热解后强碱会沉积在所述多孔碳材料中，为了避免强碱对多孔碳材料活性位的影响；将步骤4)中所述多孔碳材料放入酸溶液中浸泡，以便中和所述多孔碳材料中的强碱。

所述酸为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、醋酸和丙酸中的一种或多种；所述酸水溶液的浓度为0.1-3mol/L。

优选地，所述第一次煅烧的温度为200-300℃；第一次煅烧的时间为6-8h。

优选地，所述第二次煅烧的温度为800-1100℃，第二次煅烧的时间为2-4h。

优选地，由于浸泡后的木片或多孔碳材料表面具有游离水存在，因此为了去除游离水，采用烘箱进行烘干；所述烘箱的温度为50-70℃。采用该烘箱温度，不仅能温和地降低木片的含水率，而且能保证木片含水率降低过程中不发生变形。

优选地，步骤2)中，所述升温的的速率为1-10℃/min。

优选地，步骤4)中，所述升温的速率为5-20℃/min。采用该升温速度不仅可以保证木片的宏观、微观结构不塌陷和大规模皱缩，而且还能保证其遗态碳结构的完整性。

优选地，本发明将天然木材切割成厚度为5mm-5μm的横、径、弦三切面薄片，不仅方便后续处理，而且使多孔材料的制备过程更加简单易行。

优选地，所述第一次煅烧和第二次煅烧均可使用管式炉或马弗炉进行。

本发明通过物理浸渍法将天然木材与不同浓度的氢氧化钾水溶液处理后高温热解得到高比表面积、高活性位点、高机械性能的多孔碳材料；最后在保护气氛围中进行高温碳化后制得多孔碳材料。制备得到的多孔碳材料可作为能源及吸附材料表现出优异的物理性能和高的电化学性能，在吸附、锂电、超电等方面可广泛利用。

本发明采用的物理浸渍法，不仅制备工艺简单，而且整个试验流程环境友好，符合可持续发展观。

本发明采用天然木材制备多孔碳材料，不仅提高了天然木材的使用价值，而且也为高效利用天然木材资源提供了新途径。

本发明的有益效果如下：

1、本发明获得多孔碳材料不仅具有比表面积大、孔径分布均匀、导电性好的优点，而且化学反应活性增加；本发明制备的多孔碳材料用途广泛，可用于能源存储、吸附和水处理等方面。

2、本发明采用物理浸渍法获得多孔碳材料，不仅方法简单易行，而且绿色无污染；原料来源广泛，成本低。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作优选地详细的说明。

图1为本发明实施例1得到的多孔碳材料的宏观图像；；

图2为本发明实施例2得到的多孔碳材料的XRD图；

图3为本发明实施例3得到的多孔碳材料的宏观图像；

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做优选地的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

一种多孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将天然杉木用微型电锯切割成厚度均为5mm的木片；将木片放入60℃的烘箱中烘干24h，直至木片的含水量降至为3％；

步骤二：将烘干后的木片放入管式炉中加热至200℃进行第一次煅烧6h；使得木片中的结合水蒸发掉；然后关闭管式炉并将其于常温下降温；

步骤三：将降温后的木片从管式炉中取出后立刻放入1mol/L的氢氧化钾水溶液中浸泡5h，然后放入60℃的烘箱中烘干，以去除木片中的游离水；

步骤四：将步骤三得到的木片放入管式炉中并通入惰性气体以15℃/min的速率加热至1000℃进行第二次煅烧2h，使得木片中的低分子小物质被蒸发；然后关闭管式炉并将其于常温下降温；得多孔碳材料

步骤五：将多孔碳材料放入浓度为1mol/L的盐酸水溶液中浸泡10h，然后用大量去离子水冲洗，使得多孔碳材料中活性位显露出来；然后于60℃的烘箱中烘干，得干净的多孔碳材料。

如图1所示多孔碳材料的宏观图像，可知木片已经被充分碳化，制得的多孔材料整体结构完整，射线细胞、导管细胞、纤维细胞均呈均一的黑色。

实施例2

一种多孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将天然杉木用微型电锯切割成厚度均为5μm的横、径、弦三切面薄片木片；将木片放入60℃的烘箱中烘干24h，直至木片的含水量降至为2％；

步骤二：将烘干后的木片放入管式炉中加热至200℃进行第一次煅烧6h；使得木片中的结合水蒸发掉；然后关闭管式炉并将其于常温下降温；

步骤三：将降温后的木片从管式炉中取出后立刻放入2mol/L的氢氧化钾水溶液中浸泡6h，然后放入60℃的烘箱中烘干，以去除木片中的游离水；

步骤四：将步骤三得到的木片放入管式炉中并通入惰性气体以5℃/min的速率加热至1100℃进行第二次煅烧2h，使得木片中的低分子小物质被蒸发；然后关闭管式炉并将其于常温下降温；得多孔碳材料

步骤五：将多孔碳材料放入浓度为2mol/L的盐酸水溶液中浸泡5h，然后用大量去离子水冲洗，使得多孔碳材料中活性位显露出来；然后于60℃的烘箱中烘干，得干净的多孔碳材料。

如图2所示多孔碳材料的XRD图，可知得到的多孔碳材料主要为无定形碳。

实施例3

一种多孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将天然杉木用微型电锯切割成厚度均为5μm的横、径、弦三切面薄片木片；将木片放入60℃的烘箱中烘干24h，直至木片的含水量降至为降至4％；

步骤二：将烘干后的木片放入管式炉中加热至200℃进行第一次煅烧6h；使得木片中的结合水蒸发掉；然后关闭管式炉并将其于常温下降温；

步骤三：将降温后的木片从管式炉中取出后立刻放入3mol/L的氢氧化钾水溶液中浸泡2h，然后放入60℃的烘箱中烘干，以去除木片中的游离水；

步骤四：将步骤三得到的木片放入管式炉中并通入惰性气体以5℃/min的速率加热至1100℃进行第二次煅烧2h，使得木片中的低分子小物质被蒸发；然后关闭管式炉并将其于常温下降温；得多孔碳材料

步骤五：将多孔碳材料放入浓度为3mol/L的盐酸水溶液中浸泡3h，然后用大量去离子水冲洗，使得多孔碳材料中活性位显露出来；然后于60℃的烘箱中烘干，得干净的多孔碳材料。

如图3所示多孔碳材料的宏观图像，可知木片已经被完全碳化；制得的多孔碳材料整体结构完整，射线细胞、导管细胞、纤维细胞均呈均一的黑色。

实施例4

一种多孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将天然杉木用微型电锯切割成厚度均为5μm的横、径、弦三切面薄片木片；将木片放入60℃的烘箱中烘干24h，直至木片的含水量降至为降至4％；

步骤二：将烘干后的木片放入马弗炉中加热至200℃进行第一次煅烧6h；使得木片中的结合水蒸发掉；然后关闭马弗炉并将其于常温下降温；

步骤三：将降温后的木片从管式炉中取出后立刻放入2mol/L的氢氧化钠水溶液中浸泡6h，然后放入60℃的烘箱中烘干，以去除木片中的游离水；

步骤四：将步骤三得到的木片放入管式炉中并通入惰性气体以10℃/min的速率加热至1100℃进行第二次煅烧2h，使得木片中的低分子小物质被蒸发；然后关闭管式炉并将其于常温下降温；得多孔碳材料

步骤五：将多孔碳材料放入浓度为2mol/L的硫酸水溶液中浸泡5h，然后用大量去离子水冲洗，使得多孔碳材料中活性位显露出来；然后于60℃的烘箱中烘干，得干净的多孔碳材料。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将天然木材切割成厚度为5mm-5μm的木片；然后放入烘箱中烘干，使得所述木片的含水率为≤5％；

2)将烘干后的木片于空气中加热升温至150-1000℃进行第一次煅烧5-15h；然后降温；

3)将降温后的木片放入强碱水溶液中浸泡2-24h，然后于烘箱中烘干；

4)将步骤3)烘干后的木片于惰性气体氛围下加热升温至500-1500℃进行第二次煅烧1-10h，然后降温；得多孔碳材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括步骤5)，将所述多孔碳材料放入酸水溶液中浸泡3-10h，然后于烘箱中烘干。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述强碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化钙和氢氧化钡中的一种；所述强碱水溶液的浓度为0.1-4mol/L。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述酸为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、醋酸和丙酸中的一种或多种；所述酸水溶液的浓度为0.1-3mol/L。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，优选地，所述第一次煅烧的温度为200-300℃；第一次煅烧的时间为6-8h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，优选地，所述第二次煅烧的温度为800-1100℃，第二次煅烧的时间为2-4h。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述烘箱的温度为50-70℃。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述升温的的速率为2-5℃/min。

9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一次煅烧和第二次煅烧均可使用管式炉或马弗炉进行。

10.一种多孔碳材料，其特征在于，所述多孔碳材料是通过权利要求1-9任一所述的制备方法制备得到的。