JP2016531072A - 少なくとも１つの添加剤を用いた炭素の化学的活性化 - Google Patents

Abstract

本開示は、様々な実施形態において、活性炭素を形成する方法であって、（ａ）原料混合物を形成するために、炭素原料、アルカリ金属水酸化物から選択される少なくとも１つの活性化剤、並びに脂肪、油、脂肪酸、脂肪酸エステル及びポリヒドロキシル化化合物から選択される少なくとも１つの添加剤を含む原料混合物を提供するステップ；（ｂ）必要に応じて原料混合物を第１の温度に加熱するステップであって、原料混合物を第１の温度に加熱するステップが実施される場合、必要に応じて原料混合物を第１の温度に、少なくとも１つの活性化剤を少なくとも１つの添加剤と反応させるのに十分な時間にわたり保持する、ステップ；（ｃ）必要に応じて原料混合物を粉砕及び／又は磨砕するステップ；（ｄ）原料混合物を活性化温度に加熱するステップ；並びに（ｅ）原料混合物を活性化温度で、活性炭素を形成するのに十分な時間にわたり保持するステップを含む方法に関する。

Description

関連出願の相互参照

本願は、米国特許法１１９条の下で、２０１３年７月３１日出願の米国仮出願第６１／８６０，４８９号のものであり、上記出願の内容全体は参照によって本出願に援用される。

本開示は一般に、活性炭素を形成する方法に関し、より詳細には、起泡及び／又はフラクシング（ｆｌｕｘｉｎｇ）を減少させるために少なくとも１つの添加剤を用いた炭素の化学的活性化に関する。

ウルトラキャパシタ等のエネルギ貯蔵デバイスは、携帯電話からハイブリッド車まで様々な用途において使用され得る。ウルトラキャパシタは、高電力、長い貯蔵寿命及び／又は長いサイクル寿命を必要とする用途において電池の代替物として登場した。ウルトラキャパシタは典型的には、炭素系電極対の間に挟まれる、多孔質セパレータ及び有機電解質を備える。エネルギ貯蔵は、電極と電解質との間の境界面で生成される電気化学的二重層において電荷を分離し、貯蔵することによって達成される。これらのデバイスの重要な特徴は、これらのデバイスが提供できるエネルギ密度及び電力密度であり、上記エネルギ密度及び電力密度の両方は主にとも、電極に組み込まれる炭素の特性によって決定される。

エネルギ貯蔵デバイスへの組み込みに好適な炭素系の電極は公知である。活性炭素は、その大きな表面積が、電子伝導率、イオン静電容量、化学安定性及び／又は低コストゆえに、ウルトラキャパシタにおける多孔質材料として広く使用されている。活性炭素は、石炭、ナッツ殻及びバイオマス等の天然の前駆材料、又はフェノール樹脂等の合成材料から作製できる。天然及び合成前駆体の両方を用いて、前駆体を炭化し、次いで中間体生成物を活性化することにより活性炭素を形成できる。活性化は、多孔率及び従って炭素の表面積を増加させるための高温での物理的（例えば蒸気若しくはＣＯ_２）又は化学的活性化を含み得る。ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨ、Ｈ_３ＰＯ_４、Ｎａ_２ＣＯ_３、ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＭｇＣｌ_２、ＡｌＣｌ_３、Ｐ_２Ｏ_５、Ｋ_２ＣＯ_３、Ｋ_２Ｓ、ＫＣＮＳ、及び／又はＺｎＣｌ_２を含む、複数の化学的試薬が当該技術分野で使用されてきたが、様々な所望の特性を達成するために、ＫＯＨ、ＮａＯＨ及びＬｉＯＨといったアルカリ金属水酸化物の使用が広く採用されてきた。

物理的及び化学的活性化プロセスの両方は典型的には、炭化材料を加熱して活性化剤と反応させるために、大きなサーマルバジェットを伴う。化学的活性化の場合、炭化材料を加熱してアルカリ金属水酸化物等の苛性化学活性化剤と反応させるときに、腐食性部分産物が形成され得る。更に、炭化材料及び化学活性化剤の加熱及び反応中に相変化又はフラクシングが起こり得、これは加工中の混合物の凝集につながり得る。これらの欠点により、特に長期間にわたり高温で行われる反応の場合、プロセス全体に複雑性及びコストが追加され得る。

ＫＯＨ等の苛性物質を炭素の化学的活性化のために使用する場合に、重大な問題が報告されている。例えば、炭素活性化においてロータリキルンを使用する場合、活性化温度での処理の前に、原料に対してか焼及び／又は乾燥及び／又は脱水を行うことが必要とされることが多い。凝集は、連続的なプロセス、例えばスクリュ捏和機を使用するプロセスにおいて、プロセスの複雑さ及び／又はコストの上昇等、重大な問題を引き起こす傾向がある。

凝集の問題を回避するための手段として、トレイに活性化混合材料を装填して、これを複数の領域のトンネル炉に通過させる、ローラハース等の他の技術が使用されてきた。このような炉は、１回に僅か１のトレイレベルしか炉を通過させないため、操作にコストがかかり得、炉スループットが制限され得る。炉を横切るローラの長さが、使用温度での材料のアベイラビリティ及び強度によって制限されるため、炉幅もローラハースのスループットに対する制限要素である炉。

更に、アルカリ金属水酸化物を用いた化学的活性化の結果、加工中に数種類のガス（例えばＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２及びＨ_２Ｏ）の放出が起こり、これが泡沫の形成につながる。活性化中の起泡は、活性化リアクタ中で加工できる材料の量を制限する傾向がある。例えば、いくつかの場合において原料混合物について、るつぼ容積の約１０〜３０％、例えば約２０％しか利用できないが、これは、加工中の起泡が主な原因である。上で論じたように、原料混合物の腐食性により、高価な耐食性の材料を使用して構成されたリアクタの使用が必要となる。従って、原料スループットを向上させることができる化学的活性化プロセスを開発することは、有利である。

加工中の起泡を回避するための先行技術の方法は、粒状又は粒子状原料の代わりに圧縮原料ペレットの使用を伴う。ペレットは、例えば原料混合物を数時間真空乾燥させることによって、及び／又は原料混合物に結合剤を添加することによって作製される。次に、ペレットを活性化し、固体ペレット形態に加工する。しかし、真空乾燥の追加のステップ及び／又は（１つ若しくは複数の）追加の結合剤成分により、活性炭素製造のコスト及び／又は長さを増大させる傾向がある。

従って、より廉価な化学的活性化経路を用いて活性炭素材料を形成し、同時にまた腐食、凝集、フラクシング及び／又は起泡に関する問題も最小限にするための活性炭素材料及びプロセスを提供することは有利である。得られる活性炭素材料は、高静電容量及び／又は表面積対体積比を保持でき、効率的で、寿命が長く、エネルギ密度が高いデバイスを可能にする炭素系電極を形成するために使用できる。

本開示は、様々な実施形態において、活性炭素を形成する方法であって、（ａ）炭素原料、アルカリ金属水酸化物から選択される少なくとも１つの活性化剤、並びに脂肪、油、脂肪酸、脂肪酸エステル及びポリヒドロキシル化化合物から選択される少なくとも１つの添加剤を含む原料混合物を提供するステップ；（ｂ）必要に応じて原料混合物を第１の温度に加熱するステップであって、原料混合物を第１の温度に加熱するステップが実施される場合、必要に応じて原料混合物を第１の温度に、少なくとも１つの活性化剤を少なくとも１つの添加剤と反応させるのに十分な時間にわたり保持する、ステップ；（ｃ）必要に応じて原料混合物を粒状化するステップ；（ｄ）原料混合物を活性化温度に加熱するステップ；並びに（ｅ）原料混合物を活性化温度で、活性炭素を形成するのに十分な時間にわたり保持するステップを有してなる方法に関する。

特定の実施形態では、原料混合物中の活性化剤と炭素原料との重量比は、約０．５：１〜約５：１の範囲であり、活性化剤と添加剤との重量比は、約５：１〜約３０：１の範囲である。原料混合物は、様々な実施形態において、炭素原料、少なくとも１つの活性化剤及び少なくとも１つの添加剤の粒子状混合物であってよく、例えば粉末又は粒状混合物であってよい。いくつかの非限定な実施形態において、少なくとも１つの化学活性化剤は、ＫＯＨ、ＮａＯＨ及びＬｉＯＨから選択され、少なくとも１つの添加剤は、動物性脂肪、植物油、脂肪酸、脂肪酸エステル、ポリオール、セルロースエーテル並びにイオン性及び非イオン性シリコーン油、並びにこれらの組み合わせから選択される。

本発明の更なる特徴及び利点を、以下の詳細な説明に記載する。これらの特徴及び利点の一部は、詳細な説明から当業者に容易に明らかとなり、又は以下の詳細な説明、請求項及び添付の図面を含む本出願に記載されるような本発明の主題を実践することによって、当業者に認識されるであろう。

以上の概要及び以下の詳細な説明は共に、本発明の様々な実施形態を提示するものであり、また請求項に記載される本発明の性質及び特徴を理解するための概観又は枠組の提供を目的とするものであることを理解されたい。添付の図面は、本発明の更なる理解を提供するために含まれるものであり、本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成する。図面は、本発明の様々な実施形態を図示し、かつ、以下の詳細な説明と併せて、本開示の主題の原理及び動作を説明する役割を果たす。

本明細書中で開示されるのは、活性炭素を形成する方法であって、（ａ）炭素原料、アルカリ金属水酸化物から選択される少なくとも１つの活性化剤、脂肪、油、脂肪酸、及び脂肪酸エステルから選択される少なくとも１つの添加剤を含む原料混合物を提供するステップ；（ｂ）必要に応じて原料混合物を第１の温度に加熱するステップであって、原料混合物を第１の温度に加熱するステップが実施される場合、必要に応じて原料混合物を第１の温度に、少なくとも１つの活性化剤を少なくとも１つの添加剤と反応させるのに十分な時間にわたり保持する、ステップ；（ｃ）必要に応じて原料混合物を粒状化するステップ；（ｄ）原料混合物を活性化温度に加熱するステップ；並びに（ｅ）原料混合物を活性化温度で、活性炭素を形成するのに十分な時間にわたり保持するステップを有してなる方法である。

また、活性炭素を形成する方法であって、（ａ）炭素原料、アルカリ金属水酸化物から選択される少なくとも１つの活性化剤、ポリオール、セルロースエーテル並びにイオン性及び非イオン性シリコーン油から選択される少なくとも１つの添加剤を含む原料混合物を提供するステップ；（ｂ）必要に応じて原料混合物を粉砕及び／又は磨砕するステップ；（ｃ）原料混合物を活性化温度に加熱するステップ；（ｄ）原料混合物を活性化温度で、活性炭素を形成するのに十分な時間にわたり保持するステップを有してなり、上記原料混合物は粒子状形態である方法も、本明細書中で開示される。

作用の理論的機序
理論により拘束されることを望むものではないが、脂肪、油、脂肪酸及び／又は脂肪酸エステルが少なくとも１つの添加剤として使用される場合、これらの添加剤は鹸化反応においてアルカリ金属水酸化物と反応して、アルカリ含有カルボキシレート（石鹸）並びにグリセロール及び水等の様々な部分産物を生成すると考えられる。例えば、以下の式（ａ）は、カルボン酸カリウム及びグリセロールを生成するためのトリグリセリド（脂肪）とＫＯＨとの間の反応を示す。以下の式（ｂ）は、カルボン酸カリウム及び水を生成するための脂肪酸とＫＯＨとの間の反応を示す。以下の式（ｃ）は、カルボン酸カリウム及びアルコールを生成するための脂肪酸エステルとＫＯＨとの間の反応を示す。

Ｒ^４ＣＯＯＨ＋ＫＯＨ→Ｒ^４ＣＯＯ^‐Ｋ^＋＋Ｈ_２Ｏ （ｂ）
Ｒ^５ＣＯＯＲ^６＋ＫＯＨ→Ｒ^５ＣＯＯ^‐Ｋ^＋＋Ｒ^６ＯＨ （ｃ）

更に、理論により拘束されることを望むものではないが、アルカリ金属水酸化物のアルカリ含有カルボン酸塩への変換は、原料混合物中に存在する、相変化を起こすのに利用可能なアルカリ金属水酸化物の量を減少させることによって、約５００℃未満の温度で加工中のフラクシングの度合いを抑制すると考えられる。更に、グリセロール反応生成物は、以下で論じるように、混合物の表面張力を低下させることによって起泡を更に軽減できる。

起泡は、化学的活性化プロセスのいくつかの段階中に起こり得る。非限定的な例としてＫＯＨを用いて、以下反応が活性化中の様々な段階において起こり得る：
ＫＯＨｘＨ_２Ｏ→ＫＯＨ＋ｘＨ_２Ｏ（１）
２ＫＯＨ→Ｋ_２Ｏ＋Ｈ_２Ｏ（２）
Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２（３）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２（４）
ＣＯ_２＋Ｋ_２Ｏ→Ｋ_２ＣＯ_３（５）
６ＫＯＨ＋２Ｃ→２Ｋ＋３Ｈ２＋２Ｋ_２ＣＯ_３（６）
Ｋ_２ＣＯ_３→Ｋ_２Ｏ＋ＣＯ_２（７）
ＣＯ_２＋Ｃ→２ＣＯ（８）
Ｋ_２ＣＯ_３＋２Ｃ→２Ｋ＋３ＣＯ（９）
Ｃ＋Ｋ_２Ｏ→２Ｋ＋ＣＯ（１０）
Ｋ＋Ｃ→ＫＣ_ｎ（１１）

起泡の第１の段階は、結晶化ＫＯＨからの水の放出により、約１１５℃〜約１５５℃の範囲の温度で起こり得る（式１）。次いで、活性化剤が約１５５℃〜約３２５℃の温度範囲で乾き切る。起泡の第２の段階は、ＫＯＨが再び液化し、粘度が温度上昇と共に低下する場合、約３２５℃〜約５００℃の範囲の温度で起こり得る。この段階において、様々な化学反応（式２〜４）により大量のガスが発生し、これは泡沫及び気泡の形成につながる。泡沫は原料混合物の表面から生じ、壁を這い上がって反応容器内に現れ得る。起泡の第３の段階は約５００℃〜約７５０℃の範囲の温度で起こり得、ここでＫＯＨのＫ_２ＣＯ_３への変換により、温度上昇と共に粘度が上昇する（式５〜６）。原料混合物は、温度が約６００℃に近付くと湿潤固体のように見え始め、約７００℃で、形成されたＫ_２ＣＯ_３が分解し始めてＫ_２Ｏ及びＣＯガスになる（式７〜８）。カリウム化合物（Ｋ_２Ｏ及びＫ_２ＣＯ_３）は炭素によって還元されることもでき、これによって７００℃を超える温度でカリウム及びＣＯガスを生成できる（式９〜１０）。次いで、カリウムが炭素マトリクスに挿入され（式１１）、洗浄後、炭素マトリクスにおいて微小細孔が生成され、活性炭素が生じる。

原料混合物中に含まれる少なくとも１つの添加剤は、上述の起泡段階の１つ又は複数における泡沫の形成を妨げる役割を果たすことができる。具体的には、添加剤自体又は少なくとも１つの活性化剤とのそれらの反応生成物は、低粘度及び低表面張力を示し得、従って泡沫を構成する気泡上で薄層として広がることが可能である。従って、気泡が不安定化し、最終的には破裂又は崩壊する。

炭素原料
様々な実施形態によれば、炭素原料は、石炭等の炭化材料又は炭素前駆体由来の炭化材料を含んでよい。例示的な炭素前駆体としては、ナッツ殻、木材、バイオマス、非リグノセルロース系源等の天然材料、並びにポリ（ビニルアルコール）及び（ポリ）アクリロニトリルを含むフェノール性樹脂合成材料が挙げられる。例えば、炭素前駆体は、食用穀物、例えば小麦粉、クルミ粉、トウモロコシ粉、コーンスターチ、コーンミール、米粉及びジャガイモ粉等から選択できる。炭素前駆体の他の非限定的な例としては、ココナツ殻、ビーツ、キビ、ダイズ、オオムギ及び綿花が挙げられる。炭素前駆体は、遺伝子操作されていてもされていなくてもよい、農作物又は植物由来であり得る。

更なる例示的な炭素前駆材料及び炭素原料を形成する関連方法は、所有者が共通する米国特許第８，１９８，２１０号明細書、同第８，３１８，３５６号明細書及び同第８，４８２，９０１号明細書並びに米国特許出願公開第２０１０／０１５０８１４号明細書において開示され、これらは全てその全体が参照によって本出願に援用される。

不活性又は還元雰囲気下で加熱することによって炭素前駆材料を炭化して、炭素原料を形成できる。例示的な不活性又は還元ガス及びガス混合物としては、水素、窒素、アンモニア、ヘリウム及びアルゴンのうち１つ又は複数が挙げられる。例示的なプロセスにおいて、炭素前駆体は、約５００℃〜９５０℃（例えば約５００、５５０、６００、６５０、７００、７５０、８００、８５０、９００又は９５０℃並びにその間の全範囲及び部分範囲）の温度で、所定の時間（例えば約０．５、１、２、４、８時間又はそれ以上の時間、並びにその間の全範囲及び部分範囲）にわたり加熱し、次いで必要に応じて冷却できる。炭化中、炭素前駆体を還元し、分解して、炭素原料を形成してよい。

様々な実施形態において、従来の炉を用いて、又はマイクロ波エネルギを用いたマイクロ波反応チャンバ内で加熱することによって、炭化を実施してよい。例えば炭素前駆体を加熱し、マイクロ波リアクタ内で炭化物に還元して、炭素原料を形成し、次いで化学活性化剤と組み合わせて原料混合物を形成するように、炭素前駆体をマイクロ波エネルギに曝露できる。活性炭素生成物の特性を最適化するために、単一の炭素前駆材料又は前駆材料の組み合わせを使用できることが想定される。

特定の非限定な実施形態によれば、炭素原料を破砕、微粉化、磨砕及び／又は粉砕することによって更に加工して、炭化粉末を形成してよい。このような実施形態において、炭素原料は、例えば粉末又は粒状物の形態をとる粒子状原料であり得る。少なくとも特定の非限定な実施形態において、炭素原料は炭化粉末である。炭素原料は、例えば約１００マイクロメートル未満、例えば約１００、５０、２５、１０又は５マイクロメートル未満、並びにその間の全範囲及び部分範囲の平均粒径を有してよい。様々な実施形態において、炭素原料は、約５マイクロメートル未満、例えば約４、３、２又は１マイクロメートル未満及びその間の全範囲及び部分範囲の平均粒径を有し得る。更なる実施形態において、炭素原料の粒径は、約０．５〜約２５マイクロメートル、例えば約０．５マイクロメートル〜約５マイクロメートルの範囲であってよい。

活性化剤
特定の実施形態では、少なくとも１つの活性化剤は、アルカリ金属水酸化物、例えばＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨ及びこれらの混合物から選択してよい。当該技術分野で公知の他の化学活性化剤、例えばＨ_３ＰＯ_４、Ｎａ_２ＣＯ_３、ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＭｇＣｌ_２、ＡｌＣｌ_３、Ｐ_２Ｏ_５、Ｋ_２ＣＯ_３、Ｋ_２Ｓ及びＫＣＮＳ並びに／又はＺｎＣｌ_２をアルカリ金属水酸化物と組み合わせて使用してよいことも考えられる。

特定の実施形態では、炭素原料及び／又は少なくとも１つの添加剤は、少なくとも１つの活性化剤の溶液と組み合わせてよい。例えば水溶液を使用してよく、溶液中の化学活性化剤の濃度は、約１０〜約９０ｗｔ％の範囲であってよい。このような実施形態において、略乾燥した原料混合物を提供するために混合中及び／又は混合後に、必要に応じて湿潤原料混合物を乾燥させることができる。更なる実施形態において、例えばいかなる液体又は溶媒も使用せずに、乾燥原料混合物を形成するために、炭素原料及び／又は少なくとも１つの添加剤を少なくとも１つの活性化剤と組み合わせることができる。

原料混合物を形成するために、及び炭素の化学的活性化を引き起こすために、何らかの好適な比率で炭素原料及び少なくとも１つの活性化剤を組み合わせてよい。好適な比率の具体的な値は、例えば炭素原料及び活性化剤の物理的形状及びタイプ、並びに一方又は両方が混合物又は溶液の形態である場合は濃度に左右され得る。乾燥材料重量に基づく活性化剤と炭素原料との比率は、例えば約０．５：１〜約５：１の範囲とすることができる。重量比は例えば、約１：１〜約４：１又は約２：１〜約３：１の範囲（その間の全範囲及び部分範囲を含む）とすることができる。特定の実施形態では、活性化剤と炭素原料との重量比は、約１：１、２：１、３：１、４：１又は５：１（その間の全範囲及び部分範囲を含む）であってよい。

添加剤
特定の実施形態では、少なくとも１つの添加剤は、動物性脂肪、植物油、脂肪酸、脂肪酸エステル、ポリオール、セルロースエーテル、イオン性及び非イオン性シリコーン油並びにこれらの混合物から選択してよい。好適な脂肪及び油の非限定的な例としては、獣脂、魚油、鯨油、肝油、タラ肝油、バター、ココナツ油、パーム核油、パーム油、ナツメグ油、オリーブ油、ダイズ油、ゴマ油、ベニバナ油、亜麻仁油、ヒマシ油、植物油、菜種油及びこれらの混合物を挙げてよい。例示的な脂肪酸としては、例えば、酢酸、プロパン酸、酪酸、カプロン酸、カプリル酸、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、パルミトレイン酸、ステアリン酸、オレイン酸、リノール酸、リノレリック酸（ｌｉｎｏｌｅｒｉｃ ａｃｉｄ）、アラキドン酸、ベヘン酸及びこれらの混合物等の、約２〜約３０個の炭素原子を含む飽和及び不飽和脂肪酸を挙げてよい。上記脂肪酸のうちのいずれかのエステル誘導体を使用してもよい。上で列挙される様々な油及び脂肪を本明細書中で列挙される脂肪酸及びエステルの源としての役割をしてよいことに留意されたい。好適なポリオールとしては、例えば、ソルビトール、キシリトール、エリスリトール、マリトール及びイソマルト等の糖アルコール、；グリセロール、ペンタエリスリトール、エチレングリコール及びスクロース等の単量体のポリオール；並びにポリエーテルポリオール及びポリエステルポリオール等のポリマー性ポリオールを挙げてよい。例えば、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、これらの誘導体及びこれらの混合物である、セルロースエーテルを少なくとも１つの添加剤として使用してよいことも考えられる。好適な市販のセルロースエーテルは、例えばＤｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社によってＥＴＨＯＣＥＬ（商標）及びＭＥＴＨＯＣＥＬ（商標）の商品名で販売されている。更なる添加剤としては、エマルションの形態であってもなくてもよいイオン性及び非イオン性シリコーン油が挙げられ、これらは、例えば商品名ＸＩＡＭＥＴＥＲ（登録商標）のもと、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇにより販売されているシリコーンエマルションである。

では、少なくとも１つの添加剤は、液体又は固体の形態、例えば粉末であってよい。例えば液体添加剤を使用してよく、結果的に湿潤又は略湿潤な原料混合物となり、これを混合中及び／又は混合後に必要に応じて乾燥させて、略乾燥した原料混合物を提供できる。更なる実施形態において、例えばいかなる液体又は溶媒も使用せずに、乾燥原料混合物を形成するために、炭素原料及び／又は少なくとも１つの活性化剤を固体添加剤と組み合わせることができる。

原料混合物を形成するために、いずれの好適な比率で、いくつかの例においては少なくとも１つの添加剤を少なくとも１つの活性化剤と反応させるのに好適な比率で、少なくとも１つの添加剤及び少なくとも１つの活性化剤を組み合わせてよい。好適な比率の具体的な値は、例えば添加剤及び活性化剤の物理的形態及びタイプ、並びに一方又は両方が混合物又は溶液の形態である場合は濃度に左右され得る。例えば少なくとも１つの添加剤として脂肪が使用される場合、少なくとも約３：１の活性化剤と添加剤とのモル比を使用することが有利であり得るが、３：１を下回る及び上回る比率も使用できる。脂肪酸及びそれらのエステルを添加剤として使用する場合、少なくとも約１：１の活性化剤と添加剤とのモル比を使用することが有利であり得るが、１：１を下回る及び上回る比率も使用できる。

他の実施形態において、乾燥材料重量に基づく活性化剤と添加剤との比率は、例えば約５：１〜約３０：１の範囲とすることができる。重量比は例えば、約５：１〜約２０：１又は約１０：１〜約１５：１の範囲（その間の全範囲及び部分範囲を含む）とすることができる。特定の実施形態では、活性化剤と炭素原料との重量比は、約５：１、１０：１、１５：１、２０：１、２５：１又は３０：１（その間の全範囲及び部分範囲を含む）であってよい。また更なる実施形態において、活性化剤と添加剤との重量比は、約５：１超、例えば約１０：１超、又は約２０：１超である。

理論により拘束されることを望むものではないが、少なくとも特定の例示的な実施形態において、少なくとも１つの添加剤は、炭素原料を湿潤させる役割を果たすことができると考えられる。例えば少なくとも１つの添加剤を液体として導入してよく、及び／又は少なくとも１つの添加剤を固体として導入し、次いで加熱し、固体から液体への変換を引き起こしてよい。更に、少なくとも他の例示的な実施形態において、少なくとも１つの添加剤が原料成分の混合を改善する役割を果たすことができると考えられる。例えば脂肪又は脂肪酸分子の非極性脂肪族部分が、炭素原料粒子の表面を極性活性化剤よりも効率的に湿潤させることができる。脂肪又は脂肪酸の極性末端は、カルボキシルの性質を有し、極性及び水和活性化剤に引き付けられ得る。この合わさった引きつけ力によって、構成成分のより効果的な混合及び湿潤が可能になり得、原料混合物の効果的な表面張力及び炭素のマイクロメートルサイズの粒子間での効果的な毛細管現象の度合いを低下させ得る。

方法
炭素原料を少なくとも１つの化学活性化剤及び少なくとも１つの添加剤と組み合わせる、公知のいずれの方法によって原料混合物を調製してよい。原料混合物の様々な成分を同時に又はいずれの順序で添加してよい。例えば、特定の例示的かつ非限定的な実施形態において、炭素原料及び少なくとも１つの添加剤を混合し、続いて少なくとも１つの活性化剤を添加することによって原料混合物を形成してよい。他の例示的かつ非限定的な実施形態によれば、炭素原料及び少なくとも１つの活性化剤を最初に合わせ、次に少なくとも１つの添加剤を合わせて、原料混合物を形成する。特定の場合において、炭素原料、添加剤及び活性化剤が略乾燥粉末である場合等、原料混合物は例えば粉末形態であり得る。他の例において、例えば液体活性化剤及び／又は添加剤が使用される場合等、原料混合物は湿潤粉末又はスラリー等の粒子状形態であり得る。

少なくとも特定の例示的かつ非限定的な実施形態において、加熱を行うか又は行わずに、原料混合物の調製を行ってよい。非限定的な例として、原料混合物の混合中、混合前及び／又は混合後に、予備加熱ステップを採用してよく、この場合、原料混合物を約２５℃〜約１５０℃、例えば約５０℃〜約１２５℃、又は約７５℃〜約１００℃の範囲（その間の全範囲及び部分範囲を含む）の温度に予備加熱する。特定の実施形態では、周囲条件又は不活性条件下、例えば空気、又は窒素、アルゴン等１つ若しくは複数の不活性ガスの存在下で原料混合物を調製してよい。

特定の実施形態では、原料混合物は、混合物を粉砕及び／又は磨砕することによって更に加工してよい。例えば混合前に、炭素原料、少なくとも１つの添加剤、及び／又は少なくとも１つの活性化剤を個別に粉砕し、次いで一緒に混合してよい。他の実施形態において、原料混合物を混合中に同時に粉砕してよい。更なる実施形態によれば、原料混合物は、炭素原料、少なくとも１つの添加剤及び少なくとも１つの活性化剤を一緒に混合した後に粉砕してよい。特定の実施形態では、原料混合物を微粉化及び／又は破砕してよい。

非限定的な例として、原料混合物は、約１００マイクロメートル未満、例えば約１００、５０、２５、１０又は５マイクロメートル未満、並びにその間の全範囲及び部分範囲の平均粒径に粉砕してよい。様々な実施形態において、原料混合物は、約５マイクロメートル未満、例えば約４、３、２又は１マイクロメートル未満、並びにその間の全範囲及び部分範囲の平均粒径を有することができる。更なる実施形態において、原料混合物の平均粒径は、約０．５〜約２５マイクロメートル、例えば約０．５マイクロメートル〜約５マイクロメートル等の範囲であってよい。

任意の粉砕及び／又は予備加熱ステップを有する、原料混合物を混合するステップの後、必要に応じて原料混合物を第１の温度に加熱してよい。特定の実施形態では、第１の温度は、少なくとも１つの活性化剤を少なくとも１つの添加剤と反応させるのに好適ないずれの温度であってよく、これは、例えばこれらの成分が何であるかに応じて変動し得る。様々な例示的な実施形態において、第１の温度は、約２５℃〜約２５０℃、例えば約５０℃〜約２２５℃、約７５℃〜約２００℃、約１００℃〜約１７５℃又は約１２５℃〜約１５０℃の範囲（その間の全範囲及び部分範囲を含む）であってよい。

原料混合物を第１の温度に加熱するステップが実施される場合、原料混合物を第１の温度に保持する追加のかつ任意のステップも考えられる。これらの実施形態において、原料混合物を第１の温度に、少なくとも１つの添加剤を少なくとも１つの活性化剤と反応させるのに十分な時間にわたり保持してよい。滞留時間は、例えば添加剤及び活性化剤が何であるか、温度、存在する％湿度及び混合方法に応じて変動し得る。例示的な滞留又は保持時間は、例えば約１分〜約１２０分、例えば約５分〜約１００分、約１０分〜約９０分、約２０分〜約６０分、又は約３０分〜約５０分の範囲（その間の全範囲及び部分範囲を含む）であってよい。様々な実施形態において、保持時間は、例えば第１の温度が約１２０℃〜約１４０℃の範囲である場合、約１〜約１０分の範囲であってよく、又は例えば第１の温度が約２５℃〜約７５℃の範囲である場合、保持時間は、約１時間〜約２時間の範囲であってよい。

原料混合物の活性化の前に、少なくとも一定の例示的かつ非限定的な実施形態において、いずれの公知の手段によって混合物を粒状化できる。任意の粒状化ステップは例えば、必要に応じて加熱ステップを伴って、ロール圧縮、ドラム造粒、真空乾燥、凍結乾燥並びに／又は原料混合物の混合及び造粒に好適ないずれの他の手段によって、炭素原料を少なくとも１つの添加剤及び少なくとも１つの活性化剤と混合するステップを含んでよい。更に、活性炭素の残渣混入が殆ど又は全くなく分解できるカーボワックス、パラフィンワックス等の結合剤添加剤を用いて粒状化を達成してよい。ロール圧縮、ドラム造粒、及び／又は押出混合、及び／又はすり砕きを含むがこれらに限定されない他の粒状化方法と組み合わせて、このような結合剤の使用を採用してもよい。

特定の実施形態では、原料混合物の加熱もしながら、原料混合物を粒状化してよい。例えば約５００℃未満、例えば約４５０℃未満、又は約４００℃未満の温度で原料混合物を粒状化してよい。非限定的な例として、約４００℃〜約５００℃の範囲の温度で原料混合物を粒状化してよい。

少なくとも一定の実施形態によれば、原料混合物を粒状化してよいが、造粒せず、例えばこれは粉末又は小顆粒の形態である。粒状化後の原料粒子の平均直径は例えば、約１ｍｍ未満、例えば約５００マイクロメートル未満、約１００マイクロメートル未満、又は約５０、２５、１０若しくは５マイクロメートル未満であってよい。特定の実施形態では、ポリオール等のポリヒドロキシル化化合物を添加剤として使用する場合、原料混合物を造粒せず、その代わりに粉末又は小顆粒の形態で活性化する。換言すると、これらの例示的かつ非限定的な実施形態では、原料混合物を圧縮して活性化前にペレットを形成しない。

続いて、活性炭素を形成するために、少なくとも１つの活性化剤及び炭素原料を反応させるのに十分な活性化温度に原料混合物を加熱する。例えばＫＯＨである活性化剤は炭素と相互作用及び反応でき、これによってカリウムイオンが炭素構造に挿入され、炭酸カリウムが形成される。これらのプロセスの両方に対する反応速度は高温で上昇すると考えられ、これはより高速の活性化につながり得る。本明細書中で使用される場合、「活性化（ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ）」という用語及びその変化形は、例えば炭素内の細孔の形成を通して炭素の表面積を増加させるプロセスを指す。

活性化温度は一般に、約６００℃〜約９００℃、例えば約６５０℃〜約８５０℃、又は約７００℃〜約８００℃、又は約７５０℃〜約９００℃の範囲（その間の全範囲及び部分範囲を含む）である。次に、原料混合物を活性化温度に、活性炭素を形成するのに十分な時間にわたり保持する。特定の実施形態では、滞留又は保持時間は、約５分〜約６時間、例えば約１０分〜約４時間、約３０分〜約３時間、又は約１時間〜約２時間の範囲（その間の全範囲及び部分範囲を含む）である。特定の実施形態によれば、周囲条件又は不活性条件下で、例えば空気、又は窒素、アルゴン等１つ若しくは複数の不活性ガスの存在下で活性化を行ってよい。

本明細書中で開示される実施形態によれば、本開示によって様々な加工代替法が考えられる。これらの代替法としては、限定するものではないが、以下の方法が挙げられる。

ある実施形態において、炭素原料を、固体又は液体形態の少なくとも１つの添加剤と混合する。これらの材料を、室温から脂肪が添加剤として使用される場合は融点を僅かに上回る温度までの範囲の温度（例えば約１００℃以下）で混合できる。次いで、活性化剤を液体又は固体の形態で添加する。いくつかの実施形態において、空気中の二酸化炭素との反応によるアルカリ炭酸塩形成の可能性を低下させるために、活性化剤を粉末形態で添加することが好ましい場合がある。他の実施形態において、窒素ガス存在下等の不活性雰囲気下で混合を行うことができる。

次に、得られる原料混合物を第１の温度に加熱でき、特定の実施形態では、活性化剤を添加剤と反応させるのに十分な時間にわたり、典型的には約２５℃〜約２００℃に約１分〜２時間にわたり、保持できる。原料混合物を、撹拌を伴って又は伴わずに、例えば約４００℃〜約５００℃の範囲の温度以下で更に加熱し、粒状化できる。次に、原料混合物を炉又は他の反応容器に入れて、活性化温度に加熱する。この実施形態は、例えば脂肪、油、脂肪酸及び脂肪酸エステルを添加剤として使用する場合に好適であり得るが、この実施形態における他の添加剤の使用も想定される。

別の実施形態によれば、原料混合物を上記のように調製できるが、第１の温度での加熱及び必要に応じて保持後に、例えばロール圧縮機、グレータ（ｇｒａｔｅｒ）及び／又は押出グレータである低コスト装置を用いて、加熱することなく、より低温で、原料混合物を粒状化できる。温かい原料混合物（例えば約１００℃〜約２００℃）、又は冷却混合物（例えば約１００℃未満）に対して粒状化を行ってよい。次いで、原料混合物を炉又は他の反応容器に入れて、活性化温度に加熱できる。例示的な炉としては、全て比較的低コストで動作する、流動床リアクタ、ロータリキルン、ディスク炉（ｄｉｓｑ ｆｕｒｎａｃｅ）及びベルト炉を挙げることができるがこれらに限定されない。この実施形態は、例えば脂肪、油、脂肪酸及び脂肪酸エステルが添加剤として使用される場合に好適であり得るが、この実施形態における他の添加剤の使用が想定される。

第３の実施形態において、第１の温度に加熱してこの温度に保持するステップなしに、及び原料混合物を粒状化する追加のステップなしに、上記のように原料混合物を調製してよい。活性化温度に加熱する前に、原料混合物を圧縮又は造粒しない。この実施形態は、添加剤が鹸化反応で活性化剤と反応しない場合、例えばポリオール、セルロースエーテル及びシリコーン油を添加剤として使用する場合に好適であり得るが、この実施形態における他の添加剤の使用も想定される。

更なる実施形態において、原料混合物の、第１の温度への予備加熱、加熱及びこの温度での保持、加熱を伴う又は伴わない磨砕、粉砕及び／又は粒状化の任意のステップが省略される場合、単一のステップで原料混合物を活性化温度に加熱してよい。例えば炭素原料、添加剤及び活性化剤を一緒に混合してよく、次いで混合物をるつぼ又は他の好適な反応容器内に配置し、活性化温度に加熱してよい。加熱プロセスは活性化熱サイクル、例えばステップ的加熱サイクルであってよく、これは、例えばいずれの所定の温度で費やす時間を最大化するよう調整できる。非限定的な例として、熱サイクルは、第１の温度までの比較的遅い加熱ランプ速度、及び次に活性化温度までの比較的早い加熱ランプ速度を提供する。他の実施形態において、定常の加熱ランプ速度を使用してよい。様々な実施形態によれば、加熱ランプ速度は定常的であってよく、又は変動性であってよく、例えば約５０℃／ｈｒ〜約３００℃／ｈｒ、例えば約１００℃／ｈｒ〜約２５０℃／ｈｒ、若しくは約１５０℃／ｈｒ〜約２００℃／ｈｒの範囲（その間の全範囲及び部分範囲を含む）であってよい。活性化剤と反応する添加剤の場合、原料混合物が活性化温度に加熱されるに従って、加熱の熱サイクル中に反応が起こり得る。

更なる実施形態によれば、ディスク炉、多段炉床炉、又は撹拌ピット／るつぼ型炉といった混合物を撹拌できる炉に、原料混合物を直接投入できる。このような実施形態において、混合物を活性化温度まで加熱ため、インサイチュで粒状原料も得ながら、フラクシング及び起泡を減少させることが可能であり得る。

原料混合物を混合及び／又は加熱するために使用される反応容器を、例えば流動床リアクタ、ロータリキルンリアクタ、トンネルキルンリアクタ、るつぼ、マイクロ波反応チャンバ、又は原料を所望の温度で所望の時間にわたり混合及び／若しくは加熱及び／若しくは維持するのに好適ないずれの他の反応容器から選択してよい。このような容器は、バッチ、連続又は半連続モードで動作できる。少なくとも１つの実施形態において、反応容器は連続モードで動作し、これは、特定のコスト及び／又は製造面での利点を提供できる。原料混合物が少なくとも１つの添加剤を含むので、凝集及び／又は起泡の可能性を大幅に減少させることができ、それによって他の従来のプロセスと比べて、材料流動性及び／又はスループットに及ぼす影響がはるかに小さくなると考えられる。

マイクロ波加熱を使用して、反応容器を加熱することもできる。マイクロ波発生器は、１ｍｍ〜１ｍの波長（３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲の周波数）を有するマイクロ波を生成することができるが、活性炭素を形成するために使用される特定の例のマイクロ波周波数は、９１５ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚ及びＣ−バンド（４〜８ＧＨｚ）内のマイクロ波周波数を含む。マイクロ波反応チャンバ内で、マイクロ波エネルギを使用して、原料混合物を所定の熱プロファイルを介して所定の温度に加熱できる。

バッチ加工を使用することもでき、これは例えば、原料混合物を、マイクロ波反応チャンバ等の加熱チャンバに導入されるるつぼに投入することを含んでよい。好適なるつぼは、マイクロ波加工に適合し、アルカリ腐食に耐性があるものを含む。例示的なるつぼとして、金属性（例えばニッケル）るつぼ、炭化ケイ素るつぼ、又は炭化ケイ素被覆ムライト等の炭化ケイ素被覆るつぼを挙げることができる。連続供給プロセスは、例えば流動床、ロータリキルン、トンネル炉、スクリュ供給（ｓｃｒｅｗ−ｆｅｄ）又はロータリ供給（ｒｏｔａｒｙ−ｆｅｄ）操作を含んでよい。加熱及び反応の実行中に原料混合物のるつぼがマイクロ波リアクタを通して運ばれる半連続プロセスにおいて、原料混合物の形態の炭素材料を活性化することもできる。

活性化の後、必要に応じて、活性炭素をクエンチタンク中に保持でき、このクエンチタンク中で活性炭素が所望の温度に冷却される。例えば、水浴又は他の液体若しくは気体材料を用いて、活性炭素をクエンチしてよい。水又は低温蒸気によりクエンチすることに対する更なる利益は、潜在的な未反応アルカリ金属を中和して、潜在的な腐食及び／又は燃焼の危険を最小化することを含んでよい。クエンチタンクの前にロータリ冷却管又は冷却スクリュを使用してもよい。

活性化及び冷却後、必要に応じて活性炭素を所望の粒径に磨砕し、次いで洗浄して、炭素の残留量、保持される化学活性化剤、及び化学活性化剤を含む反応由来のいずれの化学部分産物を除去できる。上述のように、磨砕及び／又は洗浄する前に水ですすぐことによって活性炭素をクエンチすることができる。クエンチ及び洗浄の実行は、いくつかの実施形態において、組み合わせることができる。

活性炭素をバッチ、連続又は半連続様式で洗浄及び／又はろ過してよく、これを周囲温度及び圧力で行ってよい。洗浄は例えば、活性炭素を水ですすぎ、次いで酸性溶液ですすぎ、最終的に水で再びすすぐことを含んでよい。このような洗浄プロセスは、炭素中の残留アルカリ含量を約２００ｐｐｍ（０．０２ｗｔ％）未満に減少させることができる。特定の実施形態では、冷却及び／又はすすぎ後、活性炭素は、少なくとも１つの化学活性化剤、そのイオン及び対イオン、並びに／又は炭素とのその反応生成物を実質的に含有しない。例えば、化学活性化剤としてのＫＯＨの場合、活性炭素はＫＯＨ、Ｋ^＋、ＯＨ⁻及びＫ_２ＣＯ_３を実質的に含有しない。

すすいだ後で、任意の加熱処理ステップにより活性炭素を更に加工してよい。例えば、活性炭素を例えば約７００℃未満等の活性化温度未満の温度に加熱してよい。特定の実施形態では、約６７５℃未満、例えば約６００℃未満又は約５００℃未満の温度で活性炭素を加熱処理する。特定の実施形態では、任意の加熱処理ステップは、変化する加熱ランプ速度を用いて、活性炭素を約７００℃未満に漸進的に加熱することを含んでよい。例えば、ランプ速度は、約１００℃／ｈｒ〜約２００℃／ｈｒ、例えば約１２５℃／ｈｒ〜約１５０℃／ｈｒの範囲（その間の全範囲及び部分範囲を含む）としてよい。加熱ランプ速度は加熱処理ステップ中に変動してよく、異なる中間温度に、様々な期間にわたり活性炭素を保持してよい。保持時間は、例えば約１時間〜約４時間、例えば約２時間〜約３時間の範囲（その間の全範囲及び部分範囲を含む）としてよい。中間温度は、例えば約１２５℃〜約５００℃、例えば約１５０℃〜約４００℃、又は約２００℃〜約３００℃の範囲（その間の全範囲及び部分範囲を含む）としてよい。

非限定的な例として、不活性ガス（例えばＮ_２）又はフォーミングガス（例えばＮ_２／Ｈ_２）の存在下で任意の加熱処理プロセスを行ってよい。活性炭素を加熱処理することは、活性炭素の表面上で酸素含有官能基を削減する役割をすることができ、従って、例えば電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）においてその長期耐久性を向上させると考えられる。

本明細書中で開示される方法により製造される活性炭素は、少なくとも１つの添加剤を使用しない先行技術の方法により製造される活性炭素に匹敵する、特性、例えば静電容量、細孔容積及び／又は細孔分布を有し得る。本明細書中で使用される場合、「細孔炭素（ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ）」という用語及びその変化形は、微小規模の細孔が大部分である（即ち５０％超）活性炭素を意味する。細孔性の活性炭素材料は、５０％超（例えば約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０又は９５％超）の細孔率を有することができる。

理論により拘束されることを望むものではないが、活性化剤が炭素に挿入され、次いで除去され、これによって細孔が残り、表面積が増加し、炭素質原料が活性化されると考えられる。活性炭素は、微小規模、中規模及び／又は大規模細孔性を有することができる。本明細書中で定義されるとおり、微小細孔は約２０オングストローム以下の細孔サイズを有し、超微小細孔は約１０オングストローム以下の細孔サイズを有する。中間細孔は約２０〜約５０オングストロームの範囲の細孔サイズを有する。マクロ細孔は約５０オングストローム超の細孔サイズを有する。一実施形態において、活性炭素が含む細孔は大部分が微小規模の細孔である。

特定の実施形態では、活性炭素は、約０．２ｃｍ^３／ｇ超（例えば約０．２、０．２５、０．３、０．３５、０．４、０．４５、０．５、０．５５、０．６、０．６５、又は０．７ｃｍ^３／ｇ超）の合計多孔率を有してよい。合計細孔容積のうちの微小細孔（ｄ_５０≦２０オングストローム）から得られる部分は、約９０％以上（例えば、少なくとも約９０、９４、９４、９６、９８又は９９％）とすることができ、合計細孔容積のうちの微小細孔（ｄ≦１ｎｍ）から得られるは、約５０％以上（例えば少なくとも約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０又は９５％）とすることができる。

非限定的な例として、本発明の方法により製造される活性炭素は、約７０ファラッド／ｃｍ^３超、例えば約７５、８０、８５、９０又は９５Ｆ／ｃｍ^３超の静電容量を有してよい。様々な実施形態において、活性炭素の静電容量は約７０Ｆ／ｃｍ^３〜約１００Ｆ／ｃｍ^３の範囲であってよい。

本明細書中で開示される方法によれば、加工中のフラクシング及び／又は起泡を減少させるために、原料混合物中に少なくとも１つの添加剤を含めることができる。特定の実施形態では、本明細書中で開示される方法は、少なくとも１つの添加剤を使用しない先行技術の方法と比較した場合、少なくとも約３０％の起泡の減少をもたらし得る。例えば、本発明の方法は、少なくとも約４０、５０、６０、７０、８０又は９０％の起泡の減少をもたらし得る。様々な実施形態によれば、起泡の減少は、約３０％〜約９０％、又は約４０％〜約８０％、又は約５０％〜約７０％の範囲（その間の全範囲及び部分範囲を含む）であり得る。

原料混合物中に少なくとも１つの添加剤を包含することにより有利には、（ａ）起泡を減少させ、これにより加工のスループットを向上させることができ、（ｂ）フラクシングを減少させ、これにより凝集及び腐食を軽減できる。更に、特定の実施形態では、ここで開示される方法は、コストのかかる装置の必要性及び／又は追加の加工ステップの必要性を回避でき、これにより加工時間及び費用の両方を節約する。

開示される様々な実施形態は、その特定の実施形態と関連して記載される特定の特徴、要素又はステップを含んでよいことが理解される。また、特定の特徴、要素又はステップは、ある特定の実施形態に関して記載されるものの、代替的な実施形態で置き換えるか、又は代替的な実施形態と様々な例示していない組み合わせ若しくは順列で組み合わせてよいことが理解される。

本明細書中で使用される場合、名詞は、「少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」の対象を意味し、別段の明確な断りがない限り、「ただ１つ（ｏｎｌｙ ｏｎｅ）」に限定されるべきものでないことも理解されたい。従って、例えば、「化学活性化剤（ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｃｔｉｖａｔｉｎｇ ａｇｅｎｔ）」に対する言及は、反対のことが明白に別途記述されている場合を除き、２つ以上のこのような「化学活性化剤（ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｃｔｉｖａｔｉｎｇ ａｇｅｎｔｓ）」を有する例を含む。

本明細書において、範囲は、「約（ａｂｏｕｔ）」の付いたある特定の値から、及び／又は「約」の付いた別の特定の値までとして表され得る。このような範囲が表されるとき、例は、一方の特定の値から及び／又はもう一方の特定の値までを含む。同様に、値が、先行詞の「約」を用いて概算値として表される場合、特定の値が別の態様を形成することが理解されよう。各範囲の終点は、もう一方の終点との関連でも、もう一方の終点とは独立しても、有意であることが更に理解されよう。

実施例以外に、本明細書中で表される全ての数値は、そのように述べられるにせよ、述べられないにせよ、明白に別途記述されている場合を除き、「約（ａｂｏｕｔ）」を含むものとして解釈されるべきである。しかし、それが「約」その値として表されるか否かに関わらず、列挙される各数値が同様に正確に考慮されることも更に理解される。従って、「２５℃超の温度（ａ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ２５℃）」及び「約２５℃超の温度（ａ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ａｂｏｕｔ ２５℃」の両方は、「約２５℃超の温度」及びに「２５℃超の温度」の実施形態を含む。

明白に別途記述されている場合を除き、本明細書に記載されるどの方法も、そのステップをある特定の順序で実施することが要求されると解釈されることを全く意図していない。従って、方法に関する請求項が、そのステップが従うべき順序を実際に列挙している場合、又はステップがある特定の順序に限定されることが請求項若しくは説明に別途具体的に記述されている場合を除いて、任意の特定の順序が推認されることを全く意図していない。

特定の実施形態の様々な特徴、要素又はステップを、移行句「備える／含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」を用いて開示する場合があるが、移行句「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」又は「から実質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」を用いて説明することになる特徴、要素又はステップを含む代替的な実施形態が含意されることを理解すべきである。従って、例えば炭化材料を含む炭素原料に対する言外の代替的な実施形態は、炭素原料が炭化材料からなる実施形態、並びに炭素原料が炭化材料から実質的になる実施形態を含む。

本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、本発明に対して様々な修正及び変更をなし得ることが当業者には明らかであろう。当業者は、本発明の趣旨及び本質を組み込む開示された実施形態の修正、組み合わせ、部分次的組み合わせ及び変更を想起できるので、本発明は、添付の請求項及びその等価物の範囲内のあらゆる事項を含むと解釈すべきである。

以下の実施例は、非制限的かつ例示のみであることが意図されており、本発明の範囲は特許請求の範囲によって定義される。

約１５０℃／ｈｒの平均ランプ速度及び約２時間の保持時間を用いて、窒素存在下で約８００℃で非リグノセルロース系小麦粉を炭化することによって、炭素原料を調製した。次いで、冷却した炭素原料を微粉化、破砕、粉砕し、ふるいにかけて、平均粒径が約５マイクロメートル＋／−０．２５マイクロメートルの炭化原料粉末を得た。炭化原料をＫＯＨ粉末及び以下の表Ｉで列挙される添加剤のうちの１つと合わせた。各例において、ＫＯＨと炭素原料との重量比はおよそ２：１であり、ＫＯＨと添加剤との重量比はおよそ１０：１であった。

原料混合物をるつぼに投入し、るつぼ容積のおよそ２０％を満たし、炉内に配置した。原料混合物を不活性窒素雰囲気下で、１５０℃／ｈｒのランプ速度を用いて約７５０℃又は約８５０℃のいずれかまで加熱した。原料混合物を活性化温度に約２時間保持し、次いで冷却した。活性炭素を脱イオン水及び塩酸を交互に用いてすすぎ、続いてフォーミングガス（１％Ｈ_２／Ｎ_２）の存在下で加熱処理に供した。約１５０℃／ｈｒの平均ランプ速度を用いて活性炭素をおよそ１２５℃に加熱し、およそ４時間保持し、次いで約１５０℃／ｈｒの平均ランプ速度を用いておよそ６７５℃に加熱し、およそ２時間保持し、その後冷却した。

金属片をるつぼの中心に置き、活性化前に混合物の最初の高さを記し、活性化後にこれを、泡沫が達したるつぼの高さから差し引くことによって、％起泡を測定した。この差と活性化前の最初の高さとの比に１００を乗じたものを％起泡として推定した。対照試料（即ち原料混合物は、いかなる添加剤も含まず、炭素原料及びＫＯＨのみを含む）も比較のために測定した。

洗浄及び加熱処理した活性炭素を静電容量（ファラッド／ｃｍ^３）、密度（ｇ／ｃｍ^３）、細孔容積、及び細孔サイズ分布に関して特性決定した。活性炭素をカーボンブラック及びＰＴＦＥ結合剤と組み合わせ、次いで混合物を電極に形成することによって、静電容量及び密度を測定した。密度を計算するために、電極の厚さ、面積及び重量を測定した。静電容量測定を実施するために、電極を組み立ててボタン電池とした。

これらの評価の結果を以下の表Ｉ〜ＩＩＩに示す。

上の表Ｉで示されるように、少なくとも１つの添加剤を包含することは、対照試料と比較した場合、起泡の度合いを低下させる役割をし、同時に対照試料の静電容量に匹敵する静電容量を有する活性炭素も製造している。

表ＩＩにより明らかになるように、添加剤を含む本発明の原料混合物は、添加剤を用いない先行技術の原料混合物から調製した活性炭素に匹敵する細孔サイズ、分布及び比容積を有する活性炭素をもたらした。表ＩＩＩは、全試料が同様のパーセンテージの微小細孔、中間細孔及びマクロ細孔を有することを更に立証している。特に、全試料が約９５％〜９８％の間の微小細孔を有すると思われる。

上に示したデータは、少なくとも１つの添加剤を含む原料混合物を用いる本開示による方法が、とりわけ、先行技術の方法を用いて得られる活性炭素に匹敵する活性炭素生成物を依然として生じさせながら、加工中の起泡を減少させることができることを示す。

Claims (10)

1. 活性炭素を形成する方法であって、
   炭素原料、アルカリ金属水酸化物から選択される少なくとも１つの活性化剤、並びに脂肪、油、脂肪酸、及び脂肪酸エステルから選択される少なくとも１つの添加剤を含む原料混合物を提供するステップ；
   必要に応じて前記原料混合物を第１の温度に加熱するステップであって、前記原料混合物を前記第１の温度に加熱する前記ステップが実施される場合、必要に応じて前記原料混合物を前記第１の温度に、前記少なくとも１つの活性化剤を前記少なくとも１つの添加剤と反応させるのに十分な時間にわたり保持する、ステップ；
   必要に応じて前記原料混合物を粒状化するステップ；
   前記原料混合物を活性化温度に加熱するステップ；並びに
   前記原料混合物を前記活性化温度に、前記活性炭素を形成するのに十分な時間にわたり保持するステップ
   を有してなる方法。
2. 前記原料混合物は、前記炭素原料と前記少なくとも１つの添加剤とを混合し、続いて前記少なくとも１つの活性化剤を添加することによって形成される、請求項１に記載の方法。
3. 前記原料混合物は、約２５℃〜約１５０℃の範囲の温度で混合される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 約５００℃〜９５０℃の範囲の温度で不活性雰囲気において少なくとも１つの炭素質材料を炭化し、必要に応じて前記炭素原料を破砕、微粉化及び／又は粉砕することによって、炭化粉末を形成することにより、前記炭素原料を形成するステップを更に含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記少なくとも１つの活性化剤は、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨ、及びこれらの混合物から選択される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記少なくとも１つの添加剤は、動物性脂肪、植物油、及びこれらの混合物から選択される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記少なくとも１つの添加剤は、約２〜約３０個の炭素原子を含む飽和及び不飽和脂肪酸、並びにこれらの混合物から選択される脂肪酸を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記原料混合物中の前記少なくとも１つの活性化剤と前記少なくとも１つの添加剤とのモル比は、１：１以上である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記原料混合物中の前記少なくとも１つの活性化剤と前記少なくとも１つの添加剤とのモル比は、３：１以上である、請求項８に記載の方法。
10. 前記原料混合物中の前記少なくとも１つの活性化剤と前記少なくとも１つの添加剤との重量比は、５：１〜３０：１の範囲である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。