[发明专利]生物质高比表面积微孔碳材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微孔碳材料制备领域，特别涉及一种利用生物质制备微孔碳材料的方法，具体涉及利用生物质制备出具有高比表面积以及较窄孔分布的微孔碳材料。

背景技术

微孔碳材料由于其特殊的孔道结构和较高的比表面积，使其在日常生活中有着不可忽视的作用。现在，微孔碳材料已经被广泛应用于气体的贮藏与分离、电池或电容的电极材料、多种化学反应的催化剂或催化剂载体、污水处理、贵金属回收等。在市场上，比较常见的微孔碳材料为活性炭，它是利用木炭、各种果壳以及优质煤等为原料，通过物理和化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和筛选等一系列工序加工制造而成。但常规的活性炭存在着孔径分布不均一，比表面积较小等缺点，这些使得活性炭在应用方面受到很大的限制。为了克服活性炭的缺点，人们开发出了活性炭纤维，这虽然在很大程度上克服了活性炭的那些缺点，但是又产生了一系列新的问题——活性炭纤维的制备工艺复杂、成本高以及性能开发得还不够完善，这些都严重制约了活性炭纤维的实际应用，因此，活性炭在生产生活中还占有绝对优势。

在微孔碳材料的制备过程中，最主要的步骤是活化过程，活化方法通常分为物理活化法和化学活化法两大类：①物理活化法以水蒸气，二氧化碳等物质作为活化剂在惰性气氛保护下对炭化产物进行活化；②化学活化法以碱金属或碱土金属的氢氧化物如KOH、NaOH、Ca(OH)₂以及ZnCl₂、CaCl₂、H₂SO₄、H₃PO₄等化学试剂作为活化剂在惰性气氛保护下对炭化物进行活化。

用物理活化法制得的活性炭主要是微孔碳材料，虽然制得的活性炭的孔分布较窄，在各种应用领域中有较好的使用效果，但是由此方法制备的微孔碳材料的比表面积较低，这些微孔碳材料还达不到理想的应用效果。虽然用化学活化法制备的活性碳的比表面积相对于物理活化法制备的活性炭有了很大的提高，在很多方面的使用效果也比较好，但是化学活化法制备的活性炭的孔分布一般都很宽，这使得化学活化法制备的活性炭在有些方面的应用(如气体分离)受到一定的限制。

本发明以可再生的生物质材料为制备微孔碳的原料，利用化学活化法来活化微孔碳材料，通过将生物质材料的炭化产物在碱性溶液中浸渍，然后在惰性气氛中进行活化处理得到优质的微孔碳材料。目前，国内市场上有很大部分的优质活性炭是利用木材和优质煤炭作为原材料，每年在制备优质活性炭方面就要消耗大量的木材和煤炭，而我国的森林覆盖率并不是很高，虽然我国是煤炭大国，但是煤炭是一种不可再生资源，并且现在世界各国都面临着化石能源的危机。因此，如果寻找到能够替代木材和煤炭来制备优质微孔碳材料的可再生原材料，那么将对我国的森林保护和减少化石能源消耗起到很大的作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是要克服当前背景技术的不足，利用简单的化学活化法制得具有高比表面积、较窄孔分布的微孔碳材料。本发明有很高的实际应用价值。

本发明是利用农村最普遍、廉价的玉米秸秆为原材料，将秸秆在惰性气氛下炭化，然后将炭化产物在碱性溶液中浸渍一段时间，使碱均匀充分地分散到炭化产物中，然后将炭化产物从溶液中取出，并在惰性气氛中进行活化处理，再经过水洗，酸处理，水洗，干燥等过程，最后获得微孔碳材料。

制备微孔碳材料的具体过程如下：

将秸秆洗净，切割成1～3厘米长的小段，在惰性(氮气或氩气99.9％)气氛保护下于300～500℃炭化3～4小时，在管式炉中部得到炭化产物，在管式炉两端得到焦油。然后将获得的炭化产物浸渍在2～13mol/L的碱性溶液(KOH或NaOH)中(每克炭化产物浸渍在20～25毫升溶液中)20～24小时直至炭化产物完全浸润，利用筛子将炭化产物与溶液分离，之后在惰性气体(氮气或氩气99.9％)保护下700～800℃下活化1.5～3小时，自然降温至室温，将产物用水(或去离子水)洗至洗涤液的pH值为7～8，利用浓度0.05～0.2mol/L稀酸(盐酸或硝酸)浸泡4～5小时，再用水(或去离子水)洗涤至洗涤液pH值为6～7，最后在80～120℃下干燥，得到本专利所述的高比表面积微孔碳材料。