[发明专利]一种同时具有高CO2捕获量和高比电容的富氮层次孔炭的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于一种层次孔炭的制备方法，具体来说是提供一种既具有高的CO₂捕获量同时也具有高的比电容的层次孔炭的制备方法。

背景技术

多孔炭若同时具备多种功能，尤其是针对目前国际上的越来越严重的环境污染，其在市场上的受欢迎程度是不言而喻的。

申请号为CN200910193797.0“一种聚苯乙烯基层次孔炭材料及其制备方法和应用”的专利发明公开了一种聚苯乙烯基层次孔炭材料及其制备方法。该方法以线性聚苯乙烯为原料，无水三氯化铝为催化剂，无水四氯化碳为溶剂和交联剂，经Friedel-Crafts交联反应、水解、洗涤、干燥和炭化后得到聚苯乙烯基层次孔炭材料；申请号为CN201110300579.X“一种高比表面积层次孔炭材料及其制备方法和应用”的专利是在前一个专利基础上，进一步采用KOH进行活化制得高比表面积的层次孔炭材料，其BET比表面积达到1820～3100m²/g，孔容为1.13～2.18cm³/g，其中微孔占24～51％，外部中孔和大孔占49～76％，可用于制备电化学电容器的电极材料；申请号为CN201410663156.8“一种具有层次孔结构多孔炭的简易制备方法”公开了一种具有层次孔结构多孔炭的简易制备方法：选择腐植酸为原料，经破碎、筛分后与KOH混合，活化制备层次多孔炭。申请号为CN201210278048.X“一种超级电容器用层次孔结构炭电极材料的制备方法”公开了一种超级电容器用层次孔结构炭电极材料的制备方法以聚偏二氟乙烯或聚偏二氯乙烯为炭前躯体，以强碱为活化剂和裂解气体(HF、HCl)吸收剂，将炭前躯体和强碱均匀混合，在高温下进行一步炭化、活化，得到具有发达层次孔(包含微孔、中孔和大孔)结构的炭材料，在水溶液电解液和有机电解液中都兼有高的比电容和突出的大电流性能。

上述关于层次孔炭的性能均是单一的，没有能够同时具备高CO₂捕获量和高比电容的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种既具有高的CO₂捕获量同时也具有高的比电容的层次孔炭的制备方法。

本发明制备方法步骤如下：

(1)在室温下，将胺类化合物与质量分数为37～40％的甲醛溶液加入到反应器中，用0.5M三乙醇胺溶液调节溶液pH值为8.0～9.0，升温至50-90℃并搅拌反应0.5-2h后，自然冷却至室温得到溶液A；

(2)将F127或P123和酚类化合物溶解于无水乙醇中，40-60℃水浴中搅拌1-2h，记为溶液B；

(3)将溶液A加入溶液B中，室温下混合搅拌0.5-1h后，在回流温度(78℃)下保温搅拌反应2-5h，然后将该溶液倒入分散好的氧化石墨烯水溶液中，并加入0.1mg/mL的聚乙烯比咯烷酮，充分搅拌1-2h后超声分散2-6h得到分散均匀的氧化石墨烯复合物，将氧化石墨烯复合物转移至敞口容器内，室温下溶剂挥发12-24h后，将其于120-260℃下固化2-6h，得到固化的氧化石墨烯/树脂复合物；

(4)将固化后的氧化石墨烯/树脂复合物置于管式炉内，以0.5-2℃/min的升温速率由室温升至500-800℃炭化2-8h，得到炭化料；

(5)将3M KOH水溶液与炭化料，按照KOH与炭化样质量比为(1-4):1的比例充分搅拌、混合均匀，浸渍5-12小时后置于活化炉内，在高纯氮气保护下以2-4℃/min的升温速率由室温升至500-850℃下活化1-3h，自然冷却至室温后，大量去离子水洗至中性，干燥后得到层次孔富氮炭。

如上所述的酚类化合物为间氰基苯酚或1,6-二羟基萘。

如上所述的胺类化合物为胱氨酸或三聚氰胺。

如上所述的酚与醛的摩尔比为1：(3-6)；酚与胺的摩尔比为1：(0.2-0.5)；酚与F127或P123的摩尔比为1：(0.002-0.015)；酚与氧化石墨烯的质量比为1：(0.005-0.02)。

本发明优点如下：

1、单独改变F127或P123的数量，可很容易控制中孔数量；而单独采用KOH进行化学活化则可容易控制最终产品的微孔数量和大小；F127或P123与化学活化之间工艺条件的调整可实现最终产品中微孔和中孔的比例。

2、本发明的层次孔炭同时具有高的二氧化碳捕获量(最高达25℃时的4.3mmol/g)和高的比电容(最高达1A/g时的384F/g)；

3、氧化石墨烯与树脂的混合容易均匀，因为二者均为互溶的有机溶剂；