[发明专利]一种多孔碳材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多孔碳材料的制备方法，属于多孔碳材料制备领域。

背景技术

多孔碳材料不仅具有发达的孔隙结构，而且拥有高的比表面积和优良的吸附性能，它不溶于水和其他大部分溶剂，在诸多实际使用条件下都极为稳定，能在广泛的pH值和多种溶剂、高温、高压下使用，还能去除放射性物质和吸附有害气体和液体。因此多孔碳材料被广泛应用于吸附分离、净化和催化、药物缓释等领域，随着社会对新能源越来越迫切的要求，多孔碳材料还被应用于能量存储、燃料电池、电池或电容的电极，以及复杂形状、难加工工程陶瓷制备等领域。因此，对多孔碳材料的需求量也越来越大。

活性炭是最为常见的多孔碳材料，多以天然含碳物质，如煤、石油焦、生物质等制备而成。这些物质所含杂质较多，制备的多孔碳灰分较多，且由于其组成、结构的影响，尽管制备工艺不断提高，但仍存在孔径分布不均，比表面积较小等缺点，会严重制约其应用范围。同时大部分的优质活性炭都是利用木材和优质煤炭作为原料致使每年都要消耗大量的优质木材和煤炭资源。利用模板法，如活性炭纤维和无机多孔材料模板制备的多孔碳具有规则孔径分部和高比表面积，但由于制备工艺复杂、成本高，不适用大规模工业化生产。

聚合物含碳量高，杂质含量低，碳化后残存灰分少，同时采用聚合物作为前驱体能方便的对其分子量、结构等进行控制，从而实现对多孔碳孔径分布的控制。而且废旧的聚合物制品由于自身在自然界中很难被降解，对环境造成了很大污染。利用废旧聚合物为碳源制备多孔碳材料不仅解决了环境污染的问题，也节约了大量木材和煤炭资源，可为我国的森林和环境保护以及能源节约方面做出巨大贡献。聚氨酯（PU）是聚氨基甲酸酯的简称，被誉为“第五大塑料”，因其卓越的性能而被广泛应用于国民经济众多领域。PU制品分为泡沫制品和非泡沫制品两大类。泡沫制品有软质、硬质、半硬质泡沫；非泡沫制品包括涂料、胶粘剂、合成革、弹性体和弹性纤维（氨纶）等，广泛应用于汽车制造、轮胎、交通运输、土木建筑、鞋类、合成革、织物、机电、石油化工、矿山机械、航空、医疗、农业等许多领域。近30年来，世界聚氨酯工业发展非常迅速，已成为化学工业中增长最快的行业。2007年全球聚氨酯产量达到1442万吨。就全球范围而言，目前亚洲市场的聚氨酯工业正成迅速发展势头，相对于西方发展成熟的PU行业，亚洲目前尚处在快速增长期，其中主要需求集中在中国和印度市场，而中国成为全球聚氨酯发展速度最快的国家，至2007年中国聚氨酯年产量已经达到300万吨。聚氨酯工业的快速发展也造成了每年大量废弃物的产生，一般的聚氨酯自然降解需100年以上，给环境造成了巨大的压力。本发明生产工艺简单，不易造成二次污染，能实现废物的再利用，变废为宝，并能降低生产成本，有利于提高经济效益和环境保护。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多孔碳材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）将聚氨酯材料进行清洗、干燥后备用；

（2）将步骤（1）得到的聚氨酯材料浸渍于活化剂溶液中1~72h；或者直接将固体活化剂与聚氨酯材料按质量比为1:1～7:1的比例将两者混合均匀，然后在惰性气体保护下于300～1500℃碳化0.5～4小时，自然冷却至室温；

（3）将步骤（2）得到的产物用稀酸溶液或稀碱溶洗涤1-3次，然后用水洗涤至pH为中性；

（4）将步骤（3）得到产物在70～130℃的空气中干燥1~72h后，得到多孔碳材料。

本发明步骤（2）所述活化剂溶液的质量百分比为10~70%，活化剂溶液的体积为聚氨酯材料体积的2~5倍。

本发明步骤（2）所述化学活化剂为KOH、Ca(OH)₂、H₂SO₄、H₃PO₄、K₂CO₃、ZnCl₂或者CaCl₂。

本发明所述稀酸溶液为质量百分比浓度为1~15%的盐酸或硝酸水溶液，所述稀碱溶液为质量百分比浓度为1~10%的NaOH或KOH水溶液。

本发明所述方案还可以将步骤（1）干燥后的聚氨酯材料在惰性气体氛围中于300～500℃碳化0.5～4小时后，再与活化剂混合后进行步骤（2）、（3）、（4）得到多孔碳材料。

本发明步骤（2）可以用如下步骤替换：将步骤（1）干燥后的聚氨酯材料在惰性气体氛围中于300～1500℃碳化0.5～2小时，然后将惰性气体改为通水蒸汽或CO₂活化0.5～2小时后，再改通惰性气体自然冷却至室温。