CN109850888A - 一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法,该方法包括:一、将半焦焦粉分散于混酸液中反应得氧化半焦;二、将氧化半焦加入到KOH溶液中溶解,经过滤得固体不溶性氧化半焦和可溶性氧化半焦碱溶液;三、将固体不溶性氧化半焦煅烧活化得多孔活性炭;四、将可溶性氧化半焦碱溶液调至酸性后静置离心得类氧化石墨烯;五、将类氧化石墨烯与聚乙烯醇混溶于水中调至碱性,加热搅拌得溶胶溶液,再经冷冻干燥和煅烧得类石墨烯气凝胶。本发明对半焦焦粉进行分质加工转化,制备得到多孔活性碳、高附加值的类石墨烯气凝胶和类氧化石墨烯,提高了半焦产品附加值,实现半焦资源的高效转化利用,解决了固废半焦焦粉的资源化利用问题。
Description
技术领域
本发明属于煤化工与碳材料制备技术领域,具体涉及一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法。
背景技术
半焦,又称兰炭,它是由泥煤、褐煤和高挥发分烟煤(主要包括长焰煤、不粘煤、弱粘煤)等年轻煤在隔绝空气条件下,经过中低温(500~700℃)干馏得到的固体产物。
半焦作为一种煤炭转化制品,因其具有高化学活性、高固定碳、高比电阻、低灰、低硫、低磷等优点,目前在硅铁、电石、化肥以及冶金燃料和还原剂、制合成气等方面得到广泛应用。但这些半焦需求行业大多属于高耗能产业,随着生态环境保护与节能降耗力度的不断加大,半焦的市场需求逐渐趋缓,导致半焦行业产能过剩、市场供过于求。其次,半焦利用主要以块状半焦为主,而现阶段我国半焦生产技术水平相对落后,生产过程中不可避免产生大量粉焦副产物,由于粉焦粒径过小不符合生产工艺要求,无法得到有效利用而被直接废弃产生大量固废,这不仅造成资源的浪费,而且极易产生扬尘对环境造成严重污染。因此,寻求半焦(特别是固废粉焦)的利用新途径实现半焦高附加值资源化转化成为亟待解决的问题之一。
基于半焦高固定碳含量、低灰、低挥发分等特点,以及其独特的有机结构组成,通过对废弃粉焦资源进行分质加工转化,开发高附加值半焦制品(特别是半焦基新型碳材料,如石墨烯、多孔碳、碳气凝胶等),解决上述固废半焦焦粉的资源化利用问题,在优化半焦产业结构、提高产品质量、节能降耗等方面具有巨大经济社会效益。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足,提供了一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法。该方法以半焦焦粉为原料进行分质加工转化,制备得到多孔活性碳、高附加值的类石墨烯气凝胶和中间产品类氧化石墨烯,提高半焦产品附加值,实现半焦资源的高效转化利用,促进半焦产业转型升级,在优化半焦产业结构、提高产品质量、节能降耗等方面具有巨大经济社会效益。
为解决上述技术问题,本发明提供的技术方案为:一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤一、将半焦焦粉分散于混酸溶液中,在冰水浴条件下进行反应,然后加入蒸馏水稀释,再依次进行离心和洗涤,得到的沉淀物为氧化半焦;
步骤二、将步骤一中得到的氧化半焦加入到KOH溶液中进行超声搅拌溶解,得到半焦分散液,然后将半焦分散液进行过滤,得到的滤渣为固体不溶性氧化半焦,得到的滤液为可溶性氧化半焦碱溶液;
步骤三、将步骤二中得到的固体不溶性氧化半焦进行煅烧活化,得到多孔活性炭;
步骤四、采用酸液将步骤二中得到的可溶性氧化半焦碱溶液的pH调节至酸性后静置,然后进行离心,得到的沉淀物依次经蒸馏水洗涤和干燥,得到类氧化石墨烯;
步骤五、将步骤四中得到的类氧化石墨烯与聚乙烯醇混合后溶于水中并进行超声分散得到混合液,然后采用KOH溶液调节混合液的pH至碱性,加热后在恒温条件下搅拌,得到溶胶溶液,将溶胶溶液依次经冷冻干燥和煅烧,得到类石墨烯气凝胶。
本发明以半焦焦粉为原料,根据半焦焦粉的特点和结构组成,分别采用酸氧化、煅烧活化及化学交联等方法,对半焦粉末进行分质加工转化。首先将使半焦焦粉中的芳香化合物微晶在混酸作用下,发生磺化、硝化以及氧化反应,从而打开芳环层片结构,并在芳环上引入磺酸基、硝基和大量含氧基团,得到具有亲水性的氧化半焦,采用KOH溶液作为氧化半焦的溶剂介质进行超声搅拌,KOH吸附在氧化半焦中与氧化半焦中的含氧基、硝基、磺酸基发生反应,促进了氧化半焦的充分溶解,并充分剥离氧化半焦的芳环层片结构,得到少层类氧化石墨烯,然后经过滤分离得到的大颗粒的固体不溶性氧化半焦和可溶性氧化半焦碱溶液,将固体不溶性氧化半焦进行锻造活化,由于吸附在固体不溶性氧化半焦中的KOH发挥了活化致孔剂的作用,固体不溶性氧化半焦锻造活化得到多孔活性炭;将可溶性氧化半焦碱溶液调节至酸性后,促进了可溶性氧化半焦碱溶液中少层类氧化石墨烯的沉淀,得到中间产物氧化石墨烯;将中间产物氧化石墨烯与交联剂聚乙烯醇混匀后,采用KOH溶液调节至碱性形成水溶胶,依次经恒温加热搅拌和冷冻干燥,使得冰晶升华,形成网状交联的气凝胶结构,再经煅烧,使气凝胶结构中的聚乙烯醇分解炭化,并进一步活化致孔,最终得到三维多孔结构的类石墨烯气凝胶。本发明解决了半焦(特别是固废半焦焦粉)的资源化利用问题,通过分质转化工艺,制备系列高附加值的半焦基碳材料,包括多孔活性碳、类石墨烯气凝胶和中间产品类氧化石墨烯,促进半焦产业转型升级,提高半焦产品附加值,实现半焦资源的高效转化利用,在优化半焦产业结构、提高产品质量、节能降耗等方面具有巨大经济社会效益。
上述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法,其特征在于,步骤一中所述半焦焦粉的粒径不超过74μm;所述混酸溶液由质量浓度98%的浓硫酸溶液和质量浓度68%的浓硝酸溶液组成的混合溶液,所述混酸溶液中浓硫酸溶液和浓硝酸溶液的体积之比为(1~3):1。将半焦焦粉的粒径优选限定不超过74μm,增加了半焦焦粉的比表面积,从而半焦焦粉与混酸溶液的接触面也增大,有利于半焦焦粉中芳环微晶结构的氧化剥离,确保实现了半焦焦粉的分质转化;其次,混酸溶液中的浓硫酸对半焦焦粉具有氧化插层的作用,同时作为脱水剂,避免由于随着反应的进行硝酸浓度降低而失去硝化能力,进一步保证了半焦焦粉的氧化效果。
上述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法,其特征在于,步骤一中所述半焦焦粉的质量与混酸溶液的体积之比为1:(20~30),半焦焦粉的质量为g,混酸溶液的体积为mL;所述冰水浴的温度不超过10℃,所述反应的时间为8h~24h。通过控制半焦焦粉的质量与混酸溶液的体积之比,促进了半焦焦粉的充分氧化。而采用上述条件的冰水浴可以降低半焦焦粉的氧化速率,促进混酸溶液的缓慢深度氧化,使得缓慢氧化打开半焦焦粉中芳环层片的层间距增大,有利于半焦焦粉剥离得到类氧化石墨烯;此外,半焦焦粉氧化为放热反应,冰水浴可以避免因温度过高或失控导致半焦焦粉与混酸反应生成CO2和SO2气体或发生爆炸,保证了半焦焦粉氧化过程的顺利进行。
上述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法,其特征在于,步骤二中所述KOH溶液的浓度为0.5mol/L~6mol/L;所述超声搅拌溶解的功率为100W,时间为2h~6h;所述半焦分散液的pH值大于12。采用上述浓度的KOH溶液作为氧化半焦的溶剂介质,KOH更容易与氧化半焦上的含氧基、硝基、磺酸基发生反应,促进了氧化半焦的充分溶解,同时KOH可充分吸附在固体不溶性氧化半焦中,作为后续煅烧过程的活化致孔剂制备多孔活性炭。上述超声处理的参数不仅促进了氧化半焦的溶解,还可以充分剥离氧化半焦的芳环层片结构,得到更多数量的少层类氧化石墨烯。
上述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法,其特征在于,步骤三中所述煅烧活化的条件为:在惰性气氛下进行,煅烧温度600℃~850℃,升温速率2℃/min~5℃/min,煅烧时间0.5h~3h。KOH的熔点为360℃,当煅烧温度升至350℃~550℃时,吸附在固体不溶性氧化半焦中的KOH呈熔融状并开始分解为K2O;温度继续升至600℃时,K2O开始刻蚀固体不溶性氧化半焦,使碳以气态氧化物的形式释放出来,同时生成碱金属钾;当温度高于766℃时,金属钾气化,钾蒸汽挤进碳层间,使碳层发生弯曲,水洗除去此部分钾后,弯曲的碳层面不可能恢复原状,从而在其中留下孔隙,对固体不溶性氧化半焦的活化起到促进作用;温度超过850℃后,碳骨架会被烧掉,已经形成的微孔也会被破坏,导致比表面积降低。因此上述煅烧活化的条件保证了多孔活性炭的顺利制备。
上述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法,其特征在于,步骤四中所述酸液为稀盐酸溶液,稀盐酸溶液的浓度为0.1mol/L~2mol/L,所述可溶性氧化半焦碱溶液的pH调节至小于2。采用上述浓度的稀盐酸溶液有利于调节可溶性氧化半焦碱溶液的pH值,促进沉淀的产生,从而得到更多的类氧化石墨烯沉淀物。
上述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法,其特征在于,步骤四中所述离心的转速在8000rpm以上,离心的时间为5min~15min。上述离心工艺参数得到的类氧化石墨烯沉淀产物多,且易于上清液分离。
上述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法,其特征在于,步骤五中所述类氧化石墨烯与聚乙烯醇的质量比为(1~15):1,所述溶胶溶液中类氧化石墨烯的浓度为2mg/mL~5mg/mL。
上述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法,其特征在于,步骤五中所述KOH溶液的浓度为2mol/L~6mol/L,所述采用KOH溶液调节混合液的pH至大于12;所述恒温的温度为65℃~85℃,搅拌的时间为1h~3h。
聚乙烯醇作为交联剂,与类氧化石墨烯表面含氧基团相互作用形成水溶胶,通过真空冷冻干燥,使得冰晶升华,形成网状交联的气凝胶结构,最终得到类石墨烯气凝胶,因此上述类氧化石墨烯与聚乙烯醇的质量比、KOH溶液的浓度、混合液的pH和加热搅拌的工艺参数均有利于聚乙烯醇与类氧化石墨烯间的充分作用,提高了气凝胶结构的稳定性,同时避免了原料的浪费。
上述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法,其特征在于,步骤五中所述煅烧的条件为:在惰性气氛下进行,煅烧温度600℃~850℃,升温速率2℃/min~5℃/min,煅烧时间0.5h~3h。在上述煅烧条件下,溶胶中的聚乙烯醇彻底分解炭化,同时KOH活化致孔,有利于形成结构稳定、纯度较高的三维多孔结构的类石墨烯气凝胶。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
1、本发明以半焦焦粉为原料,通过酸氧化、煅烧活化及化学交联等方法,对半焦粉末进行分质加工转化,制备得到高附加值的系列半焦基碳材料,包括多孔活性碳、类石墨烯气凝胶和中间产品类氧化石墨烯,促进半焦产业转型升级,提高半焦产品附加值,实现半焦资源的高效转化利用,在优化半焦产业结构、提高产品质量、节能降耗等方面具有巨大经济社会效益。
2、本发明采用浓硫酸溶液与浓硝酸溶液组成的混合酸液处理半焦焦粉,促进了半焦芳环结构的插层剥离和深度氧化,然后采用KOH作为碱性溶剂介质,使可溶性氧化半焦选择性溶解,实现了固体不溶性氧化半焦和可溶性半焦的分质分选,提高了分质联产的效率。
3、本发明采用KOH作为致孔活化剂,并在后续工艺中采用真空冷冻干燥的方法,使得水溶胶冷冻,冰晶升华,保证了其结构稳定性,避免了孔结构的坍塌,实现了类石墨烯的一步炭化与活化,制备得到的多孔活性炭与类石墨烯气凝胶孔隙结构发达,其比表面积分别可达829.087cm3/g和1495.753cm3/g。
4、本发明充分利用半焦焦粉资源,将半焦材料分级利用,实现了半焦焦粉尤其是固废焦粉的资源最大化利用,解决了固废半焦焦粉的资源化利用问题,实现了半焦分质联产与高附加值应用,而且制备的系列半焦基碳材料用途广泛、生产工艺简单、具有良好的经济社会效益。
下面通过附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例1~实施例10采用的半焦焦粉的扫描电子显微镜照片(3000×)。
图2是本发明实施例1~实施例10中采用的半焦焦粉的等温吸附曲线和孔径分布曲线图。
图3是本发明实施例1制备的多孔活性炭的扫描电子显微镜照片(25000×)。
图4是本发明实施例1制备的类氧化石墨烯的透射电子显微镜照片。
图5是本发明实施例1制备的类石墨烯气凝胶的照片。
图6是本发明实施例1制备的类石墨烯气凝胶的扫描电子显微镜照片(20000×)。
图7是本发明实施例1制备的多孔活性炭的N2吸附-脱附等温线和孔径分布曲线图。
图8是本发明实施例1制备的类石墨烯气凝胶的N2吸附-脱附等温线和孔径分布曲线图。
具体实施方式
发明实施例1~实施例10采用的半焦焦粉均来源于神府半焦,其工业分析和元素分析如下表1所示。
表1实施例1~实施例10采用的半焦焦粉的来源工业分析和元素分析
图1是本发明实施例1~实施例10采用的半焦焦粉的扫描电子显微镜照片(3000×),从图1可以看出实施例1~实施例10采用的半焦焦粉的粉粒径尺寸较小,表面较为光滑,并无明显的孔结构。
图2是本发明实施例1~实施例10中采用的神府半焦的等温吸附曲线和孔径分布曲线图,从图2可以看出半焦焦粉的比表面积(即图中的吸附体积)较小,约为38.12m2/g。
实施例1
本实施例的制备方法包括以下步骤:
步骤一、将2g半焦焦粉分散于40mL混酸溶液中,在冰水浴条件下进行反应12h,然后加入蒸馏水稀释,再依次进行离心和洗涤,得到的沉淀物为氧化半焦;所述半焦焦粉的粒径不超过74μm;所述混酸溶液为30mL质量浓度98%的浓硫酸溶液和10mL质量浓度68%的浓硝酸溶液组成的混合溶液;所述冰水浴的温度不超过5℃;
步骤二、将步骤一中得到的氧化半焦加入到6mol/L的KOH溶液中进行超声搅拌溶解,得到半焦分散液,将半焦分散液进行过滤,得到的滤渣为固体不溶性氧化半焦,得到的滤液为可溶性氧化半焦碱溶液;所述超声搅拌溶解的功率为100W,时间为2h;所述半焦分散液的pH值为12;
步骤三、将步骤二中得到的固体不溶性氧化半焦放置于管式炉中,在氩气气氛下以5℃/min升温至850℃煅烧活化2h,得到多孔活性炭;
步骤四、采用2mol/L的稀盐酸溶液将步骤二中得到的可溶性氧化半焦碱溶液的pH调节至2后静置,然后在8000rpm的转速条件下进行离心10min,收集得到的沉淀物采用蒸馏水洗涤,再置于烘箱中在65℃下干燥过夜,得到类氧化石墨烯;
步骤五、将40mg步骤四中得到的类氧化石墨烯与40mg聚乙烯醇混合后溶于20mL水中并进行超声分散得到混合液,然后采用2mol/L的KOH溶液调节混合液的pH至12,加热后在80℃恒温条件下搅拌2h,得到溶胶溶液,将溶胶溶液进行冷冻干燥,然后置于管式炉中,在氩气气氛下以5℃/min升温至800℃煅烧2h得到类石墨烯气凝胶;所述溶胶溶液中类氧化石墨烯的浓度为2mg/mL。
图3是本实施例制备的多孔活性炭的扫描电子显微镜照片(25000×),从图3可以看出,本实施例制备的多孔活性炭表面粗糙且孔隙结构发达,孔径大小分布在200nm~500nm之间,表明KOH作为致孔活化剂对半焦粉末具有较强的刻蚀作用,且KOH溶液浸润吸附在氧化半焦中的过程中,钾可以嵌入到氧化半焦中的碳结构中,使碳原子层扩张,在活化过程中,主要发生如下反应:4KOH+C=K2CO3+K2O+H2,当进一步活化后,K2O可与碳发生反应被还原为K,而碳元素以CO或CO2逸出,故而形成孔结构。
图4是是本实施例制备的类氧化石墨烯的透射电子显微镜照片,从图4可以看出,本实施例制备的类氧化石墨烯层数较少,呈薄纱状结构,表面孔结构丰富。
图5是本实施例制备的类石墨烯气凝胶的照片,从图5可以看出,本实施例制备的类石墨烯气凝胶呈圆柱状结构,表面光滑黑亮。
图6是本实施例制备的类石墨烯气凝胶的扫描电子显微镜照片(20000×),从图6可以看出,本实施例制备的类石墨烯气凝胶呈现明显的三维网状孔隙结构且孔隙发达,根据大小其孔径主要为介孔和大孔结构,表明真空冷冻干燥工艺将类氧化石墨烯水溶胶冷冻,然后在真空条件下,冰晶直接升华,留下三维贯通的孔隙结构,保持了气凝胶的结构稳定性。
图7是本实施例制备的多孔活性炭的N2吸附-脱附等温线和孔径分布曲线图,从图7可以看出,本实施例制备的多孔活性炭的等温吸附曲线属于典型的IV型,在接近饱和蒸汽压时,该N2吸附-脱附等温线出现迅速上升,表明本实施例制备的多孔活性炭微粒之间存在缝隙,发生了类似于大孔的吸附;在中高压区有一个H4型回滞环,表明本实施例制备的多孔活性炭中存在介孔结构;在低压区(P/Po=0~0.1)多孔活性炭的气体吸附量发生快速增长,这是由于发生了微孔填充,表明本实施例制备的多孔活性炭中存在大量微孔结构;因此,本实施例制备的多孔活性炭中存在着微孔和介孔结构,与图7中对应的孔径分布曲线相一致,根据图7中的N2吸附-脱附等温线计算得到本实施例制备的多孔活性炭的比表面积可达829.087cm3/g。
图8是本实施例制备的类石墨烯气凝胶的N2吸附-脱附等温线和孔径分布曲线图,从图8可以看出,本实施例制备的类石墨烯气凝胶的N2吸附-脱附等温线属于IV型,在相对压力较低的区域(P/Po=0~0.1)类石墨烯气凝胶的气体吸附量均迅速上升,表明本实施例制备的类石墨烯气凝胶中均存在大量微孔;当P/Po=0.4~0.9时,类石墨烯气凝胶中出现一个滞后环,表明本实施例制备的类石墨烯气凝胶中有介孔存在,与图8中对应的孔径分布曲线相一致,根据图8中的N2吸附-脱附等温线计算得到本实施例制备的类石墨烯气凝胶的比表面积可达1495.753cm3/g。
实施例2
本实施例的制备方法包括以下步骤:
步骤一、将2g半焦焦粉分散于60mL混酸溶液中,在冰水浴条件下进行反应8h,然后加入蒸馏水稀释,再依次进行离心和洗涤,得到的沉淀物为氧化半焦;所述半焦焦粉的粒径不超过74μm;所述混酸溶液为45mL质量浓度98%的浓硫酸溶液和15mL质量浓度68%的浓硝酸溶液组成的混合溶液;所述冰水浴的温度不超过5℃;
步骤二、将步骤一中得到的氧化半焦加入到6mol/L的KOH溶液中进行超声搅拌溶解,得到半焦分散液,将半焦分散液进行过滤,得到的滤渣为固体不溶性氧化半焦,得到的滤液为可溶性氧化半焦碱溶液;所述超声搅拌溶解的功率为100W,时间为2h;所述半焦分散液的pH值为12;
步骤三、将步骤二中得到的固体不溶性氧化半焦放置于管式炉中,在氩气气氛下以3℃/min升温至800℃煅烧活化2h,得到多孔活性炭;
步骤四、采用2mol/L的稀盐酸溶液将步骤二中得到的可溶性氧化半焦碱溶液的pH调节至2后静置,然后在8000rpm的转速条件下进行离心10min,收集得到的沉淀物采用蒸馏水洗涤,再置于烘箱中在65℃下干燥过夜,得到类氧化石墨烯;
步骤五、将40mg步骤四中得到的类氧化石墨烯与40mg聚乙烯醇混合后溶于20mL水中并进行超声分散得到混合液,然后采用6mol/L的KOH溶液调节混合液的pH至12,加热后在85℃恒温条件下搅拌1h,得到溶胶溶液,将溶胶溶液进行冷冻干燥,然后置于管式炉中,在氩气气氛下以5℃/min升温至800℃煅烧1h得到类石墨烯气凝胶;所述溶胶溶液中类氧化石墨烯的浓度为2mg/mL。
实施例3
本实施例的制备方法包括以下步骤:
步骤一、将2g半焦焦粉分散于50mL混酸溶液中,在冰水浴条件下进行反应12h,然后加入蒸馏水稀释,再依次进行离心和洗涤,得到的沉淀物为氧化半焦;所述半焦焦粉的粒径不超过74μm;所述混酸溶液为37.5mL质量浓度98%的浓硫酸溶液和12.5mL质量浓度68%的浓硝酸溶液组成的混合溶液;所述冰水浴的温度为不超过6℃;
步骤二、将步骤一中得到的氧化半焦加入到2mol/L的KOH溶液中进行超声搅拌溶解,得到半焦分散液,将半焦分散液进行过滤,得到的滤渣为固体不溶性氧化半焦,得到的滤液为可溶性氧化半焦碱溶液;所述超声搅拌溶解的功率为100W,时间为2h;所述半焦分散液的pH值为14;
步骤三、将步骤二中得到的固体不溶性氧化半焦放置于管式炉中,在氩气气氛下以5℃/min升温至800℃煅烧活化0.5h,得到多孔活性炭;
步骤四、采用1mol/L的稀盐酸溶液将步骤二中得到的可溶性氧化半焦碱溶液的pH调节至2后静置,然后在8000rpm的转速条件下进行离心15min,收集得到的沉淀物采用蒸馏水洗涤,再置于烘箱中在65℃下干燥过夜,得到类氧化石墨烯;
步骤五、将40mg步骤四中得到的类氧化石墨烯与40mg聚乙烯醇混合后溶于20mL水中并进行超声分散得到混合液,然后采用2mol/L的KOH溶液调节混合液的pH至14,加热后在80℃恒温条件下搅拌2h,得到溶胶溶液,将溶胶溶液进行冷冻干燥,然后置于管式炉中,在氩气气氛下以5℃/min升温至800℃煅烧2h得到类石墨烯气凝胶;所述溶胶溶液中类氧化石墨烯的浓度为2mg/mL。
实施例4
本实施例的制备方法包括以下步骤:
步骤一、将2g半焦焦粉分散于40mL混酸溶液中,在冰水浴条件下进行反应12h,然后加入蒸馏水稀释,再依次进行离心和洗涤,得到的沉淀物为氧化半焦;所述半焦焦粉的粒径不超过74μm;所述混酸溶液为26.7mL质量浓度98%的浓硫酸溶液和13.3mL质量浓度68%的浓硝酸溶液组成的混合溶液;所述冰水浴的温度不超过6℃;
步骤二、将步骤一中得到的氧化半焦加入到2mol/L的KOH溶液中进行超声搅拌溶解,得到半焦分散液,将半焦分散液进行过滤,得到的滤渣为固体不溶性氧化半焦,得到的滤液为可溶性氧化半焦碱溶液;所述超声搅拌溶解的功率为100W,时间为4h;所述半焦分散液的pH值为14;
步骤三、将步骤二中得到的固体不溶性氧化半焦放置于管式炉中,在氩气气氛下以2℃/min升温至600℃煅烧活化3h,得到多孔活性炭;
步骤四、采用0.1mol/L的稀盐酸溶液将步骤二中得到的可溶性氧化半焦碱溶液的pH调节至2后静置,然后在8000rpm的转速条件下进行离心15min,收集得到的沉淀物采用蒸馏水洗涤,再置于烘箱中在65℃下干燥过夜,得到类氧化石墨烯;
步骤五、将60mg步骤四中得到的类氧化石墨烯与12mg聚乙烯醇混合后溶于20mL水中并进行超声分散得到混合液,然后采用4mol/L的KOH溶液调节混合液的pH至14,加热后在80℃恒温条件下搅拌2h,得到溶胶溶液,将溶胶溶液进行冷冻干燥,然后置于管式炉中,在氩气气氛下以2℃/min升温至600℃煅烧2h得到类石墨烯气凝胶;所述溶胶溶液中类氧化石墨烯的浓度为3mg/mL。
实施例5
本实施例的制备方法包括以下步骤:
步骤一、将2g半焦焦粉分散于40mL混酸溶液中,在冰水浴条件下进行反应24h,然后加入蒸馏水稀释,再依次进行离心和洗涤,得到的沉淀物为氧化半焦;所述半焦焦粉的粒径不超过74μm;所述混酸溶液为26.7mL质量浓度98%的浓硫酸溶液和13.3mL质量浓度68%的浓硝酸溶液组成的混合溶液;所述冰水浴的温度不超过8℃;
步骤二、将步骤一中得到的氧化半焦加入到4mol/L的KOH溶液中进行超声搅拌溶解,得到半焦分散液,将半焦分散液进行过滤,得到的滤渣为固体不溶性氧化半焦,得到的滤液为可溶性氧化半焦碱溶液;所述超声搅拌溶解的功率为100W,时间为4h;所述半焦分散液的pH值为14;
步骤三、将步骤二中得到的固体不溶性氧化半焦放置于管式炉中,在氩气气氛下以3℃/min升温至800℃煅烧活化2h,得到多孔活性炭;
步骤四、采用1mol/L的稀盐酸溶液将步骤二中得到的可溶性氧化半焦碱溶液的pH调节至1后静置,然后在8000rpm的转速条件下进行离心10min,收集得到的沉淀物采用蒸馏水洗涤,再置于烘箱中在65℃下干燥过夜,得到类氧化石墨烯;
步骤五、将40mg步骤四中得到的类氧化石墨烯与12mg聚乙烯醇混合后溶于20mL水中并进行超声分散得到混合液,然后采用2mol/L的KOH溶液调节混合液的pH至14,加热后在65℃恒温条件下搅拌3h,得到溶胶溶液,将溶胶溶液进行冷冻干燥,然后置于管式炉中,在氩气气氛下以3℃/min升温至800℃煅烧1h得到类石墨烯气凝胶;所述溶胶溶液中类氧化石墨烯的浓度为2mg/mL。
实施例6
本实施例的制备方法包括以下步骤:
步骤一、将2g半焦焦粉分散于50mL混酸溶液中,在冰水浴条件下进行反应8h,然后加入蒸馏水稀释,再依次进行离心和洗涤,得到的沉淀物为氧化半焦;所述半焦焦粉的粒径不超过74μm;所述混酸溶液为33.3mL质量浓度98%的浓硫酸溶液和16.7mL质量浓度68%的浓硝酸溶液组成的混合溶液;所述冰水浴的温度不超过10℃;
步骤二、将步骤一中得到的氧化半焦加入到6mol/L的KOH溶液中进行超声搅拌溶解,得到半焦分散液,将半焦分散液进行过滤,得到的滤渣为固体不溶性氧化半焦,得到的滤液为可溶性氧化半焦碱溶液;所述超声搅拌溶解的功率为100W,时间为2h;所述半焦分散液的pH值为12;
步骤三、将步骤二中得到的固体不溶性氧化半焦放置于管式炉中,在氩气气氛下以3℃/min升温至750℃煅烧活化1h,得到多孔活性炭;
步骤四、采用2mol/L的稀盐酸溶液将步骤二中得到的可溶性氧化半焦碱溶液的pH调节至2后静置,然后在8000rpm的转速条件下进行离心5min,收集得到的沉淀物采用蒸馏水洗涤,再置于烘箱中在65℃下干燥过夜,得到类氧化石墨烯;
步骤五、将80mg步骤四中得到的类氧化石墨烯与8mg聚乙烯醇混合后溶于20mL水中并进行超声分散得到混合液,然后采用2mol/L的KOH溶液调节混合液的pH至12,加热后在65℃恒温条件下搅拌3h,得到溶胶溶液,将溶胶溶液进行冷冻干燥,然后置于管式炉中,在氩气气氛下以2℃/min升温至700℃煅烧0.5h得到类石墨烯气凝胶;所述溶胶溶液中类氧化石墨烯的浓度为4mg/mL。
实施例7
本实施例的制备方法包括以下步骤:
步骤一、将2g半焦焦粉分散于60mL混酸溶液中,在冰水浴条件下进行反应12h,然后加入蒸馏水稀释,再依次进行离心和洗涤,得到的沉淀物为氧化半焦;所述半焦焦粉的粒径不超过74μm;所述混酸溶液为30mL质量浓度98%的浓硫酸溶液和30mL质量浓度68%的浓硝酸溶液组成的混合溶液;所述冰水浴的温度不超过5℃;
步骤二、将步骤一中得到的氧化半焦加入到6mol/L的KOH溶液中进行超声搅拌溶解,得到半焦分散液,将半焦分散液进行过滤,得到的滤渣为固体不溶性氧化半焦,得到的滤液为可溶性氧化半焦碱溶液;所述超声搅拌溶解的功率为100W,时间为2h;所述半焦分散液的pH值为13;
步骤三、将步骤二中得到的固体不溶性氧化半焦放置于管式炉中,在氩气气氛下以2℃/min升温至650℃煅烧活化3h,得到多孔活性炭;
步骤四、采用2mol/L的稀盐酸溶液将步骤二中得到的可溶性氧化半焦碱溶液的pH调节至2后静置,然后在9000rpm的转速条件下进行离心5min,收集得到的沉淀物采用蒸馏水洗涤,再置于烘箱中在65℃下干燥过夜,得到类氧化石墨烯;
步骤五、将40mg步骤四中得到的类氧化石墨烯与4mg聚乙烯醇混合后溶于20mL水中并进行超声分散得到混合液,然后采用2mol/L的KOH溶液调节混合液的pH至13,加热后在65℃恒温条件下搅拌3h,得到溶胶溶液,将溶胶溶液进行冷冻干燥,然后置于管式炉中,在氩气气氛下以3℃/min升温至700℃煅烧1h得到类石墨烯气凝胶;所述溶胶溶液中类氧化石墨烯的浓度为2mg/mL。
实施例8
本实施例的制备方法包括以下步骤:
步骤一、将2g半焦焦粉分散于40mL混酸溶液中,在冰水浴条件下进行反应24h,然后加入蒸馏水稀释,再依次进行离心和洗涤,得到的沉淀物为氧化半焦;所述半焦焦粉的粒径不超过74μm;所述混酸溶液为30mL质量浓度98%的浓硫酸溶液和10mL质量浓度68%的浓硝酸溶液组成的混合溶液;所述冰水浴的温度不超过5℃;
步骤二、将步骤一中得到的氧化半焦加入到0.5mol/L的KOH溶液中进行超声搅拌溶解,得到半焦分散液,将半焦分散液进行过滤,得到的滤渣为固体不溶性氧化半焦,得到的滤液为可溶性氧化半焦碱溶液;所述超声搅拌溶解的功率为100W,时间为6h;所述半焦分散液的pH值为13;
步骤三、将步骤二中得到的固体不溶性氧化半焦放置于管式炉中,在氩气气氛下以2℃/min升温至850℃煅烧活化2h,得到多孔活性炭;
步骤四、采用0.1mol/L的稀盐酸溶液将步骤二中得到的可溶性氧化半焦碱溶液的pH调节至2后静置,然后在8000rpm的转速条件下进行离心10min,收集得到的沉淀物采用蒸馏水洗涤,再置于烘箱中在65℃下干燥过夜,得到类氧化石墨烯;
步骤五、将60mg步骤四中得到的类氧化石墨烯与4mg聚乙烯醇混合后溶于20mL水中并进行超声分散得到混合液,然后采用4mol/L的KOH溶液调节混合液的pH至13,加热后在80℃恒温条件下搅拌2h,得到溶胶溶液,将溶胶溶液进行冷冻干燥,然后置于管式炉中,在氩气气氛下以5℃/min升温至600℃煅烧3h得到类石墨烯气凝胶;所述溶胶溶液中类氧化石墨烯的浓度为3mg/mL。
实施例9
本实施例的制备方法包括以下步骤:
步骤一、将2g半焦焦粉分散于50mL混酸溶液中,在冰水浴条件下进行反应12h,然后加入蒸馏水稀释,再依次进行离心和洗涤,得到的沉淀物为氧化半焦;所述半焦焦粉的粒径不超过74μm;所述混酸溶液为25mL质量浓度98%的浓硫酸溶液和25mL质量浓度68%的浓硝酸溶液组成的混合溶液;所述冰水浴的温度不超过5℃;
步骤二、将步骤一中得到的氧化半焦加入到2mol/L的KOH溶中进行超声搅拌溶解,得到半焦分散液,将半焦分散液进行过滤,得到的滤渣为固体不溶性氧化半焦,得到的滤液为可溶性氧化半焦碱溶液;所述超声搅拌溶解的功率为100W,时间为4h;所述半焦分散液的pH值为14;
步骤三、将步骤二中得到的固体不溶性氧化半焦放置于管式炉中,在氩气气氛下以5℃/min升温至750℃煅烧活化2h,得到多孔活性炭;
步骤四、采用1mol/L的稀盐酸溶液将步骤二中得到的可溶性氧化半焦碱溶液的pH调节至2后静置,然后在8000rpm的转速条件下进行离心10min,收集得到的沉淀物采用蒸馏水洗涤,再置于烘箱中在65℃下干燥过夜,得到类氧化石墨烯;
步骤五、将100mg步骤四中得到的类氧化石墨烯与20mg聚乙烯醇混合后溶于20mL水中并进行超声分散得到混合液,然后采用6mol/L的KOH溶液调节混合液的pH至14,加热后在85℃恒温条件下搅拌1h,得到溶胶溶液,将溶胶溶液进行冷冻干燥,然后置于管式炉中,在氩气气氛下以5℃/min升温至800℃煅烧2h得到类石墨烯气凝胶;所述溶胶溶液中类氧化石墨烯的浓度为5mg/mL。
实施例10
本实施例的制备方法包括以下步骤:
步骤一、将2g半焦焦粉分散于40mL混酸溶液中,在冰水浴条件下进行反应12h,然后加入蒸馏水稀释,再依次进行离心和洗涤,得到的沉淀物为氧化半焦;所述半焦焦粉的粒径不超过74μm;所述混酸溶液为30mL质量浓度98%的浓硫酸溶液和10mL质量浓度68%的浓硝酸溶液组成的混合溶液;所述冰水浴的温度不超过5℃;
步骤二、将步骤一中得到的氧化半焦加入到4mol/L的KOH溶液中进行超声搅拌溶解,得到半焦分散液,将半焦分散液进行过滤,得到的滤渣为固体不溶性氧化半焦,得到的滤液为可溶性氧化半焦碱溶液;所述超声搅拌溶解的功率为100W,时间为4h;所述半焦分散液的pH值为13;
步骤三、将步骤二中得到的固体不溶性氧化半焦放置于管式炉中,在氩气气氛下以3℃/min升温至650℃煅烧活化2h,得到多孔活性炭;
步骤四、采用1mol/L的稀盐酸溶液将步骤二中得到的可溶性氧化半焦碱溶液的pH调节至1后静置,然后在9000rpm的转速条件下进行离心5min,收集得到的沉淀物采用蒸馏水洗涤,再置于烘箱中在65℃下干燥过夜,得到类氧化石墨烯;
步骤五、将100mg步骤四中得到的类氧化石墨烯与10mg聚乙烯醇混合后溶于20mL水中并进行超声分散得到混合液,然后采用2mol/L的KOH溶液调节混合液的pH至13,加热后在85℃恒温条件下搅拌2h,得到溶胶溶液,将溶胶溶液进行冷冻干燥,然后置于管式炉中,在氩气气氛下以2℃/min升温至600℃煅烧2h得到类石墨烯气凝胶;所述溶胶溶液中类氧化石墨烯的浓度为5mg/mL。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤一、将半焦焦粉分散于混酸溶液中,在冰水浴条件下进行反应,然后加入蒸馏水稀释,再依次进行离心和洗涤,得到的沉淀物为氧化半焦;
步骤二、将步骤一中得到的氧化半焦加入到KOH溶液中进行超声搅拌溶解,得到半焦分散液,然后将半焦分散液进行过滤,得到的滤渣为固体不溶性氧化半焦,得到的滤液为可溶性氧化半焦碱溶液;
步骤三、将步骤二中得到的固体不溶性氧化半焦进行煅烧活化,得到多孔活性炭;
步骤四、采用酸液将步骤二中得到的可溶性氧化半焦碱溶液的pH调节至酸性后静置,然后进行离心,得到的沉淀物依次经蒸馏水洗涤和干燥,得到类氧化石墨烯;
步骤五、将步骤四中得到的类氧化石墨烯与聚乙烯醇混合后溶于水中并进行超声分散得到混合液,然后采用KOH溶液调节混合液的pH至碱性,加热后在恒温条件下搅拌,得到溶胶溶液,将溶胶溶液依次经冷冻干燥和煅烧,得到类石墨烯气凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法,其特征在于,步骤一中所述半焦焦粉的粒径不超过74μm;所述混酸溶液由质量浓度98%的浓硫酸溶液和质量浓度68%的浓硝酸溶液组成的混合溶液,所述混酸溶液中浓硫酸溶液和浓硝酸溶液的体积之比为(1~3):1。
3.根据权利要求1所述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法,其特征在于,步骤一中所述半焦焦粉的质量与混酸溶液的体积之比为1:(20~30),半焦焦粉的质量为g,混酸溶液的体积为mL;所述冰水浴的温度不超过10℃,所述反应的时间为8h~24h。
4.根据权利要求1所述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法,其特征在于,步骤二中所述KOH溶液的浓度为0.5mol/L~6mol/L;所述超声搅拌溶解的功率为100W,时间为2h~6h;所述半焦分散液的pH值大于12。
5.根据权利要求1所述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法,其特征在于,步骤三中所述煅烧活化的条件为:在惰性气氛下进行,煅烧温度600℃~850℃,升温速率2℃/min~5℃/min,煅烧时间0.5h~3h。
6.根据权利要求1所述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法,其特征在于,步骤四中所述酸液为稀盐酸溶液,稀盐酸溶液的浓度为0.1mol/L~2mol/L,所述可溶性氧化半焦碱溶液的pH调节至小于2。
7.根据权利要求1所述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法,其特征在于,步骤四中所述离心的转速在8000rpm以上,离心的时间为5min~15min。
8.根据权利要求1所述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法,其特征在于,步骤五中所述类氧化石墨烯与聚乙烯醇的质量比为(1~15):1,所述溶胶溶液中类氧化石墨烯的浓度为2mg/mL~5mg/mL。
9.根据权利要求1所述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法,其特征在于,步骤五中所述KOH溶液的浓度为2mol/L~6mol/L,所述采用KOH溶液调节混合液的pH至大于12;所述恒温的温度为65℃~85℃,搅拌的时间为1h~3h。
10.根据权利要求1所述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法,其特征在于,步骤五中所述煅烧的条件为:在惰性气氛下进行,煅烧温度600℃~850℃,升温速率2℃/min~5℃/min,煅烧时间0.5h~3h。
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