CN109775683A - 一种含铅高导电多孔碳材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含铅高导电多孔碳材料制备方法，先将过氧化铅在100~120℃搅拌、保温，再将表面活性剂溶于溶剂中喷雾至过氧化铅颗粒表面，制得造孔剂A；然后将树脂溶于有机溶剂，逐步加入造孔剂A形成浆料，经喷雾干燥、破碎、分级得到多孔碳前驱体B，最后将B加热至750~950℃，保温、冷却、洗涤、打散、筛分、除磁得到目的物。本发明方法不涉及液态浓碱和高磁性物质，是一种绿色环保的清洁工艺，制备的铅碳复合材料具有内阻低、导电性好的优点。

Description

一种含铅高导电多孔碳材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种多孔炭材料及其制备方法，特别涉及一种含铅、高导电性的多孔碳材料，以及绿色清洁的碳材料活化造孔工艺。

背景技术

多孔碳材料既有碳材料化学稳定高、导电性好等优点，又具有多孔材料比表面积高、孔隙率高的特点，在催化、吸附和电化学储能等方面都得到了广泛的应用。

多孔碳方面的专利技术多集中于强碱刻蚀碳前驱体，如专利【CN201610492629.1】以含有KOH的碱法造纸产生的造纸黑液中的木质素为碳源，经预处理、碳化和活化制得多孔碳；专利【CN201711470017.3】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多孔碳。这种多孔碳优点是制备工艺简单、多孔碳比表面积很容易达到1500m²/g以上，缺点是原料腐蚀性强，对设备要求比较高，生产过程安全性差，造孔后物料仍为强碱性，需要多次洗涤并产生大量生产污水，而且，这种方法制备出的多孔碳粉末电阻率普遍较大，使其在电化学储能方面的应用受到限制。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种一种含铅、高导电多孔碳材料及其制备方法，本专利首先采用金属铅与多孔碳复合的思路，显著改善了多孔碳的导电性能。其次，本专利选用了一种表面修饰的过氧化铅为造孔剂，生产安全隐患较低。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种含铅高导电多孔碳材料，其特征在于：

（Ⅰ）所述多孔碳材料是由金属铅以及多孔碳复合而成，铅的质量百分比为1~5%；

（Ⅱ）所述多孔碳材料D₅₀粒度为8±1.0μm，所述多孔碳材料的振实密度为≤0.2g/cc，所述多孔碳材料的比表面积为500~1000m²/g；

（Ⅲ）所述多孔碳材料的通孔率≥60%，所述多孔碳材料的粉末电阻率≤30 mΩ cm。

一种含铅、高导电多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将市售分析纯过氧化铅在100~120℃温度区间内边搅拌、边保温2~4h后，将表面活性剂溶于溶剂中制成浓度为1~5%溶液，在2~10MPa的压力下高压喷雾至过氧化铅颗粒表面，控制表面活性剂的质量为过氧化铅的1~3%，待溶剂挥发完全后，经冷却制得造孔剂A；

S2、将树脂溶于有机溶剂，在搅拌下逐步加入造孔剂A形成浆料，浆料中树脂的质量百分比为10~30%，树脂与造孔剂的质量比为10：（0.5~2），搅拌均匀后，再经喷雾干燥、破碎、分级得到多孔碳前驱体B；

S3、在氮气和/或氦气气氛下，将多孔碳前驱体加热至750~950℃，保温0.5~2h后自然冷却，最后经洗涤、打散、筛分、除磁得到最终产品。

进一步的，一种含铅高导电多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将市售分析纯过氧化铅在100~120℃温度区间内边搅拌、边保温2~4h后，将表面活性剂溶于溶剂中制成浓度为1~5%溶液，在2~10MPa的压力下高压喷雾至过氧化铅颗粒表面，控制表面活性剂的质量为过氧化铅的1~3%，待溶剂挥发完全后，经冷却制得造孔剂A；

S2、将树脂溶于有机溶剂，在搅拌下逐步加入造孔剂A形成浆料，浆料中树脂的质量百分比为10~30%，树脂与造孔剂的质量比为10：（0.5~2），搅拌均匀后，再经喷雾干燥、破碎、分级得到多孔碳前驱体B；

S3、在氮气和/或氦气气氛下，将多孔碳前驱体加热至750~950℃，保温0.5~2h后自然冷却，最后经洗涤、打散、筛分、除磁得到最终产品。

进一步的，步骤S1中，所述低残碳前驱体为只含C、H、O三种元素、残碳低值≤25%、不含苯环的高分子聚合物；所述表面活性剂为非离子表面活性剂。

进一步的，步骤S1中，所述低残碳前驱体为聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯中的一种或多种；所述表面活性剂为脂肪酸、硬脂酸、月桂酸中的一种或多种。

进一步的，步骤S2中，所述高残碳前驱体为灰分≤0.1%、水分≤0.1%、固碳≥99.9%、残碳率≥80%的沥青。

进一步的，步骤S2中，所述沥青为石油沥青、煤沥青、天然沥青的一种或多种。

进一步的，步骤S2中，所述溶剂为分析纯级别的氮甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、煤油、苯、甲苯的一种或多种。

实验发现，过氧化铅表面包覆非离子表面活性剂后，可以有效、均匀分散在树脂溶液中，在随后的热处理过程中，过氧化铅可以与树脂碳发生反应生成金属铅与一氧化碳，并在树脂碳颗粒中形成均匀的介孔。

与现有技术相比，本发明所具有以下有益效果：

1.本专利设计产品为金属铅和多孔碳复合而成的含铅、高导电多孔炭材料，材料的导电性远高于传统多孔碳。

2.采用过表面修饰的氧化铅为造孔剂，活化过程不涉及液态强碱，因此加工工艺为绿色清洁工艺。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不局限于这些实施例。

实施例1

（Ⅰ）市售分析纯过氧化铅在100~120℃温度区间内边搅拌、边保温4h后，将硬脂酸溶于乙醇中制成浓度为3%溶液，在3MPa的压力下高压喷雾至过氧化铅颗粒表面，控制表硬脂酸的质量为过氧化铅的1%，待溶剂挥发完全后，经冷却制得造孔剂A1；

（Ⅱ）酚醛树脂溶于乙醇中配成树脂溶液，树脂质量占树脂溶液的20%，在搅拌下逐步加入造孔剂A1形成浆料，树脂与造孔剂的质量比为5：1。搅拌均匀后，再经喷雾干燥、破碎、分级得到多孔碳前驱体B1；

（Ⅲ）氮气气氛下，将B1加热至800℃，保温0.5h后自然冷却，最后经洗涤、打散、筛分、除磁得到最终产品。

实施例2

（Ⅰ）市售分析纯过氧化铅在100~120℃温度区间内边搅拌、边保温2h后，将乙酸溶于水中制成浓度为1%溶液，在5MPa的压力下高压喷雾至过氧化铅颗粒表面，控制表乙酸的质量为过氧化铅的3%，待溶剂挥发完全后，经冷却制得造孔剂A2；

（Ⅱ）酚醛树脂溶于异丙醇中配成树脂溶液，树脂质量占树脂溶液的30%，在搅拌下逐步加入造孔剂A2形成浆料，树脂与造孔剂的质量比为10：1。搅拌均匀后，再经喷雾干燥、破碎、分级得到多孔碳前驱体B2；

（Ⅲ）氮气气氛下，将B2加热至950℃，保温2h后自然冷却，最后经洗涤、打散、筛分、除磁得到最终产品。

对比例1#

市售活性炭（日本产）；

实施例与对比例的检测数据见下表：

Claims (8)

1.一种含铅高导电多孔碳材料，其特征在于：

（Ⅰ）所述多孔碳材料是由金属铅以及多孔碳复合而成，铅的质量百分比为1~5%；

（Ⅱ）所述多孔碳材料D₅₀粒度为8±1.0μm，所述多孔碳材料的振实密度为≤0.2g/cc，所述多孔碳材料的比表面积为500~1000m²/g；

（Ⅲ）所述多孔碳材料的通孔率≥60%，所述多孔碳材料的粉末电阻率≤30 mΩ cm。

2.一种含铅高导电多孔碳材料的制备方法，其特征在于：

S1、将过氧化铅在100~120℃温度区间内搅拌、保温，再将表面活性剂溶于溶剂中高压喷雾至过氧化铅颗粒表面，待溶剂挥发完全后，经冷却制得造孔剂A；

S2、将树脂溶于有机溶剂，边搅拌下边加入造孔剂A，形成浆料，搅拌均匀后，再经喷雾干燥、破碎、分级得到多孔碳前驱体B；

S3、在保护气氛下，将多孔碳前驱体加热至750~950℃，然后冷却，最后经洗涤、打散、筛分、除磁，得到含铅高导电多孔碳材料。

3.根据权利要求2所述的一种含铅高导电多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将市售分析纯过氧化铅在100~120℃温度区间内边搅拌、边保温2~4h后，将表面活性剂溶于溶剂中制成浓度为1~5%溶液，在2~10MPa的压力下高压喷雾至过氧化铅颗粒表面，控制表面活性剂的质量为过氧化铅的1~3%，待溶剂挥发完全后，经冷却制得造孔剂A；

S2、将树脂溶于有机溶剂，在搅拌下逐步加入造孔剂A形成浆料，浆料中树脂的质量百分比为10~30%，树脂与造孔剂的质量比为10：（0.5~2），搅拌均匀后，再经喷雾干燥、破碎、分级得到多孔碳前驱体B；

S3、在氮气和/或氦气气氛下，将多孔碳前驱体加热至750~950℃，保温0.5~2h后自然冷却，最后经洗涤、打散、筛分、除磁得到最终产品。

4.根据权利要求2或3所述的一种含铅高导电多孔碳材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述低残碳前驱体为只含C、H、O三种元素、残碳低值≤25%、不含苯环的高分子聚合物；所述表面活性剂为非离子表面活性剂。

5.根据权利要求4所述的一种含铅高导电多孔碳材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述低残碳前驱体为聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯中的一种或多种；所述表面活性剂为脂肪酸、硬脂酸、月桂酸中的一种或多种。

6.根据权利要求2或3所述的一种含铅高导电多孔碳材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述高残碳前驱体为灰分≤0.1%、水分≤0.1%、固碳≥99.9%、残碳率≥80%的沥青。

7.根据权利要求2或3所述的一种含铅高导电多孔碳材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述沥青为石油沥青、煤沥青、天然沥青的一种或多种。

8.根据权利要求2或3所述的一种含铅高导电多孔碳材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述溶剂为分析纯级别的氮甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、煤油、苯、甲苯的一种或多种。