CN113213450B - 一种制备烟秆基多级孔径结构碳材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及碳材料制备技术领域，具体公开了一种制备烟秆基多级孔径结构碳材料的方法。所述的方法包含如下步骤：(1)将烟秆粉、硝酸锰以及次磷酸钾分散在去离子水中，形成分散液；(2)将分散液去除溶剂，得活性炭前驱体粉末；(3)将活性炭前驱体粉末置于管式炉中，在惰性气体气氛下，经加热后得产物；将产物洗涤干燥后即得烟秆基多级孔径结构碳材料。由该方法制备得到的多级孔径结构碳材料其同时具有微孔、中孔和大孔结构；此外，该方法以烟秆为原料，一方面降低了现有多级孔径结构碳材料的制备成本，另一方面实现了将烟草秸秆进行合理的利用，解决了烟草秸秆处理不当造成的环境污染问题。

Description

一种制备烟秆基多级孔径结构碳材料的方法
技术领域
本发明涉及碳材料制备技术领域，具体涉及一种制备烟秆基多级孔径结构碳材料的方法。
背景技术
通常，具有多级孔径结构的碳材料具有相互连接的大孔(>50nm)，中孔(2～50nm)和微孔(<2nm)，这种分级性质对于提高多孔电极材料的电吸附能力至关重要。大孔可以用作离子缓冲储液槽，以最大程度地减少离子扩散距离并将离子快速传输到内表面；此外，中孔通过提供低电阻途径来减轻离子传输限制；而具有高比表面积的微孔则为电容电荷存储提供了更多的吸附位点。因此，与其它碳材料相比，具有多级孔径结构的碳材料将显示出巨大的优势。
然而，现有技术可以通过合成方法制备具有中孔和大孔结构的碳材料，但现有的合成方法其合成路线复杂生产成本高，这严重限制了多级孔径结构碳材料的应用；此外，采用合成方法也很难制备得到同时具有微孔、中孔和大孔等三级孔径结构的碳材料。
因此，开发一种能够同时具有微孔、中孔和大孔结构的碳材料的制备方法；尤其是开发一种工艺简单、生产成本低，且能够同时具有微孔、中孔和大孔结构的碳材料的制备方法；具有重要的应用价值。
烟秆是指烟草秸秆，目前如何将烟草秸秆进行资源化利用是一大难题；现有技术并未有以烟秆为原料，制备烟秆基多级孔径结构碳材料的报道。如开发一种以烟秆为原料制备同时具有微孔、中孔和大孔结构的碳材料的方法；一方面可以降低多级孔径结构碳材料的生产成本，另一方面也可以将烟草秸秆进行合理的利用，减少烟草秸秆处理不当造成的环境污染。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种制备烟秆基多级孔径结构碳材料的方法；该方法能够制备得到同时具有微孔、中孔和大孔结构的碳材料。
本发明的技术方案如下：
一种制备烟秆基多级孔径结构碳材料的方法，其包含如下步骤：
(1)将烟秆粉、硝酸锰以及次磷酸钾分散在去离子水中，形成分散液；
(2)将分散液去除溶剂，得活性炭前驱体粉末；
(3)将活性炭前驱体粉末置于管式炉中，在惰性气体气氛下，经加热后得产物；将产物洗涤干燥后即得烟秆基多级孔径结构碳材料。
所述的烟秆粉是指将烟草秸秆进行粉碎后的粉末。
发明人在经大量的试验研究表明，将硝酸锰以及次磷酸钾与烟秆粉混合制备活性炭前驱体粉末，然后进行碳化，可以制备得到同时具有微孔、中孔和大孔结构的碳材料。
优选地，步骤(1)中烟秆粉、硝酸锰、次磷酸钾以及去离子水的质量比为1:1～3:1～3:3～8。
进一步优选地，步骤(1)中烟秆粉、硝酸锰、次磷酸钾以及去离子水的质量比为1:1～2:2～3:4～6。
最优选地，步骤(1)中烟秆粉、硝酸锰、次磷酸钾以及去离子水的质量比为1:2:2:5。
优选地，步骤(2)中将分散液去除溶剂的具体方法为，将分散液放入烘箱中将溶剂烘干得到粉末，即所述的活性炭前驱体粉末。
优选地，步骤(3)中所述的惰性气体为氮气，所述氮气的流速为2～4mL/min；最优选地，所述氮气的流速为3mL/min。
优选地，步骤(3)中所述的加热是指以4～6℃/min的速度升温至800～850℃，保温1～3h。
最优选地，步骤(3)中所述的加热是指以5℃/min的速度升温至850℃，保温2h。
发明人研究发现，在上述加热条件下进行碳化，虽然可以得到具有微孔、中孔和大孔结构的碳材料；但是各个等级的孔径范围比较大，孔径范围不可控；难以满足高质量的多级孔径结构碳材料的生产要求。
优选地，步骤(3)中所述的加热具体为：先以2～3℃/min的速度升温至400～450℃，保温0.5～1h；接着以2～3℃/min的速度升温至762～780℃，保温0.5～1h；然后降温至700～730℃，再以4～5℃/min的速度升温至800～850℃，保温1～2h。
最优选地，步骤(3)中所述的加热具体为：先以2℃/min的速度升温至430℃，保温0.5h；接着以3℃/min的速度升温至762℃，保温0.5h；然后降温至720℃，再以5℃/min的速度升温至850℃，保温1.5h。
发明人进一步研究发现，将硝酸锰以及次磷酸钾与烟秆粉混合制备活性炭前驱体粉末，然后在上述三阶段加热条件下进行碳化，可以得到孔径范围窄，孔径范围可控的具有微孔、中孔和大孔结构的碳材料。
有益效果：本发明提供了一种全新的以烟秆为原料制备多级孔径结构碳材料的方法；由该方法制备得到的多级孔径结构碳材料其同时具有微孔、中孔和大孔结构；此外，该方法以烟秆为原料，一方面降低了现有多级孔径结构碳材料的制备成本，另一方面实现了将烟草秸秆进行合理的利用，解决了烟草秸秆处理不当造成的环境污染问题。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行进一步解释，但实施例对本发明不做任何形式的限定。
实施例1
(1)将烟秆粉、硝酸锰以及次磷酸钾分散在去离子水中，形成分散液；其中，烟秆粉、硝酸锰、次磷酸钾以及去离子水的质量比为1:2:2:5；
(2)将分散液放入烘箱中于120℃下加热12h烘干，得活性炭前驱体粉末；
(3)将活性炭前驱体粉末置于管式炉中，在氮气气氛下(流速为3mL/min)，经加热后得产物；将产物洗涤(用蒸馏水洗涤)干燥后即得烟秆基多级孔径结构碳材料；
步骤(3)中所述的加热是指以5℃/min的速度升温至850℃，保温2h。
实施例2
(1)将烟秆粉、硝酸锰以及次磷酸钾分散在去离子水中，形成分散液；其中，烟秆粉、硝酸锰、次磷酸钾以及去离子水的质量比为1:1:3:6；
(2)将分散液放入烘箱中于120℃下加热12h烘干，得活性炭前驱体粉末；
(3)将活性炭前驱体粉末置于管式炉中，在氮气气氛下(流速为2mL/min)，经加热后得产物；将产物洗涤(用蒸馏水洗涤)干燥后即得烟秆基多级孔径结构碳材料；
步骤(3)中所述的加热是指以4℃/min的速度升温至850℃，保温2h。
实施例3
(1)将烟秆粉、硝酸锰以及次磷酸钾分散在去离子水中，形成分散液；其中，烟秆粉、硝酸锰、次磷酸钾以及去离子水的质量比为1:3:1:8；
(2)将分散液放入烘箱中于120℃下加热12h烘干，得活性炭前驱体粉末；
(3)将活性炭前驱体粉末置于管式炉中，在氮气气氛下(流速为4mL/min)，经加热后得产物；将产物洗涤(用蒸馏水洗涤)干燥后即得烟秆基多级孔径结构碳材料；
步骤(3)中所述的加热是指以6℃/min的速度升温至850℃，保温2h。
实施例4
(1)将烟秆粉、硝酸锰以及次磷酸钾分散在去离子水中，形成分散液；其中，烟秆粉、硝酸锰、次磷酸钾以及去离子水的质量比为1:2:2:5；
(2)将分散液放入烘箱中于120℃下加热12h烘干，得活性炭前驱体粉末；
(3)将活性炭前驱体粉末置于管式炉中，在氮气气氛下(流速为3mL/min)，经加热后得产物；将产物洗涤(用蒸馏水洗涤)干燥后即得烟秆基多级孔径结构碳材料；
步骤(3)中所述的加热具体为：先以2℃/min的速度升温至430℃，保温0.5h；接着以3℃/min的速度升温至762℃，保温0.5h；然后降温至720℃，再以5℃/min的速度升温至850℃，保温1.5h。
实施例5
(1)将烟秆粉、硝酸锰以及次磷酸钾分散在去离子水中，形成分散液；其中，烟秆粉、硝酸锰、次磷酸钾以及去离子水的质量比为1:2:2:5；
(2)将分散液放入烘箱中于120℃下加热12h烘干，得活性炭前驱体粉末；
(3)将活性炭前驱体粉末置于管式炉中，在氮气气氛下(流速为3mL/min)，经加热后得产物；将产物洗涤(用蒸馏水洗涤)干燥后即得烟秆基多级孔径结构碳材料；
步骤(3)中所述的加热具体为：先以3℃/min的速度升温至400℃，保温1h；接着以2℃/min的速度升温至780℃，保温0.5h；然后降温至700℃，再以4℃/min的速度升温至850℃，保温1.5h。
实施例6
(1)将烟秆粉、硝酸锰以及次磷酸钾分散在去离子水中，形成分散液；其中，烟秆粉、硝酸锰、次磷酸钾以及去离子水的质量比为1:2:2:5；
(2)将分散液放入烘箱中于120℃下加热12h烘干，得活性炭前驱体粉末；
(3)将活性炭前驱体粉末置于管式炉中，在氮气气氛下(流速为3mL/min)，经加热后得产物；将产物洗涤(用蒸馏水洗涤)干燥后即得烟秆基多级孔径结构碳材料；
步骤(3)中所述的加热具体为：先以2℃/min的速度升温至450℃，保温0.5h；接着以3℃/min的速度升温至770℃，保温0.5h；然后降温至730℃，再以5℃/min的速度升温至850℃，保温1h。
实施例7
(1)将烟秆粉、硝酸锰以及次磷酸钾分散在去离子水中，形成分散液；其中，烟秆粉、硝酸锰、次磷酸钾以及去离子水的质量比为1:2:2:5；
(2)将分散液放入烘箱中于120℃下加热12h烘干，得活性炭前驱体粉末；
(3)将活性炭前驱体粉末置于管式炉中，在氮气气氛下(流速为3mL/min)，经加热后得产物；将产物洗涤(用蒸馏水洗涤)干燥后即得烟秆基多级孔径结构碳材料；
步骤(3)中所述的加热具体为：先以2℃/min的速度升温至430℃，保温1h；接着再以5℃/min的速度升温至850℃，保温1.5h。
实施例8
(1)将烟秆粉、硝酸锰以及次磷酸钾分散在去离子水中，形成分散液；其中，烟秆粉、硝酸锰、次磷酸钾以及去离子水的质量比为1:2:2:5；
(2)将分散液放入烘箱中于120℃下加热12h烘干，得活性炭前驱体粉末；
(3)将活性炭前驱体粉末置于管式炉中，在氮气气氛下(流速为3mL/min)，经加热后得产物；将产物洗涤(用蒸馏水洗涤)干燥后即得烟秆基多级孔径结构碳材料；
步骤(3)中所述的加热具体为：先以2℃/min的速度升温至430℃，保温0.5h；接着以3℃/min的速度升温至762℃，保温0.5h；然后再以5℃/min的速度升温至850℃，保温1.5h。
实施例1～8制备得到的烟秆基多级孔径结构碳材料的各级孔径范围如表1所示，各级孔径范围在扫描电子显微镜下测量得到。
表1.烟秆基多级孔径结构碳材料的各级孔径范围
Figure BDA0003072118850000061
从表1实施例1～3制备得到的烟秆基多级孔径结构碳材料的各级孔径范围分布可以看出，本发明将硝酸锰以及次磷酸钾与烟秆粉混合制备活性炭前驱体粉末，然后进行碳化，可以制备得到同时具有微孔、中孔和大孔结构的碳材料。但是，实施例1～3制备得到的微孔、中孔和大孔等各级孔的孔径范围较宽，如实施例1微孔的孔径范围为0.4～1.8nm、中孔的孔径范围为14～39nm、大孔的孔径范围为65～812nm；实施例2和3其各级孔的孔径范围比实施例1的孔径范围分布得更加宽广。
从实施例4～6制备得到的烟秆基多级孔径结构碳材料的各级孔径范围分布可以看出，实施例4～6制备得到的烟秆基多级孔径结构碳材料其微孔、中孔和大孔结构等各级孔的孔径范围与实施例1相比得到了大幅的缩小，其能够很好的控制各级孔的孔径范围；如实施例4微孔的孔径范围为0.8～1.1nm、中孔的孔径范围为36～48nm、大孔的孔径范围为135～188nm；尤其是其大孔范围，均控制在100～200nm的范围内。然而，实施例4～6与实施例1的区别在于，步骤(3)的具体加热条件不同；实施例4～6分三阶段进行加热，即在如下条件下进行加热：先以2～3℃/min的速度升温至400～450℃，保温0.5～1h；接着以2～3℃/min的速度升温至762～780℃，保温0.5～1h；然后降温至700～730℃，再以4～5℃/min的速度升温至800～850℃，保温1～2h。这说明：将硝酸锰以及次磷酸钾与烟秆粉混合制备活性炭前驱体粉末，然后在上述三阶段加热条件下进行碳化，可以得到孔径范围窄，孔径范围可控的具有微孔、中孔和大孔结构的碳材料。
从实施例7制备得到的烟秆基多级孔径结构碳材料的各级孔径范围分布可以看出，实施例7的各级孔的孔径范围同样远远大于实施例4；而实施例7与实施例4的区别在于，实施例7中仅仅采用两阶段解热；这说明采用两阶段加热同样得不到各级孔孔径范围窄的碳材料。
从实施例8制备得到的烟秆基多级孔径结构碳材料的各级孔径范围分布可以看出，实施例8的各级孔的孔径范围相对于实施例1而言虽然得到了大幅的改进，但是同样远远大于实施例4；而实施例8与实施例4的区别在于，实施例8虽然采用了三阶段加热，但在第三阶段，实施例8是直接升温至850℃；而实施例7则是先降温至720℃，然后再升温至850℃；这说明在第三阶段适当的降温十分关键，在第三阶段先进行适当的降温，然后再升温可以制备得到各级孔孔径范更窄的碳材料。

Claims (8)

1.一种制备烟秆基多级孔径结构碳材料的方法，其特征在于，包含如下步骤：
（1）将烟秆粉、硝酸锰以及次磷酸钾分散在去离子水中，形成分散液；
（2）将分散液去除溶剂，得活性炭前驱体粉末；
（3）将活性炭前驱体粉末置于管式炉中，在惰性气体气氛下，经加热后得产物；将产物洗涤干燥后即得烟秆基多级孔径结构碳材料；
步骤（3）中所述的加热具体为：先以2~3℃/min的速度升温至400~450℃，保温0.5~1h；接着以2~3℃/min的速度升温至762~780℃，保温0.5~1h；然后降温至700~730℃，再以4~5℃/min的速度升温至800~850℃，保温1~2h。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中烟秆粉、硝酸锰、次磷酸钾以及去离子水的质量比为1:1~3:1~3:3~8。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中烟秆粉、硝酸锰、次磷酸钾以及去离子水的质量比为1:1~2:2~3:4~6。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中烟秆粉、硝酸锰、次磷酸钾以及去离子水的质量比为1:2:2:5。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中将分散液去除溶剂的具体方法为，将分散液放入烘箱中将溶剂烘干得到粉末，即所述的活性炭前驱体粉末。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中所述的惰性气体为氮气，所述氮气的流速为2~4mL/min。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述氮气的流速为3mL/min。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中所述的加热具体为：先以2℃/min的速度升温至430℃，保温0.5h；接着以3℃/min的速度升温至762℃，保温0.5h；然后降温至720℃，再以5℃/min的速度升温至850℃，保温1.5h。
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