[发明专利]一种极微孔多孔碳材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及多孔碳材料制备技术领域，特别涉及一种极微孔多孔碳材料及其制备方法。

背景技术

CO₂作为最主要的温室气体，如今在大气中的含量与日俱增，导致了全球变暖等一系列环境问题，严重威胁到了人类的生存发展，因此对CO₂的捕集与封存变得尤为重要。目前，CO₂捕集技术主要有吸收法、膜分离法和吸附法等。吸收法对设备腐蚀性大，再生能耗高，同时受温度的制约；膜分离法普遍成本较高，限制其应用；而吸附法表现出巨大的优势，备受研究者的青睐。吸附法技术的核心在于多孔固体吸附剂，目前应用于CO₂吸附的固体吸附剂主要有金属有机框架材料(MOFs)、分子筛、多孔碳材料和高温碱金属或碱土金属复合氧化物。相比之下，多孔碳材料由于其出色的CO₂吸附性能，发达的孔隙结构、较低的经济成本、丰富的原料来源、良好的化学和热稳定性、较低的再生能耗以及结构可控性等优势，成为最具工业应用前景的CO₂固体吸附剂。

通过水热碳化生物质资源的方式，可以在温和的反应条件下将生物质转化为碳材料以及高价值化学品，近年来引起业内研究人员的广泛关注。首先，原料来源广泛，各种各样的生物质、工业原料或者废物都可被用作碳前躯体合成微孔碳材料；其次，设备简单易操作，反应条件温和易控制，能耗低，易使生产扩大化与工业化；最后，使用水作反应介质，整个合成过程在密闭体系中进行，无污染物的生成，生产工艺绿色环保。然而，通过水热合成法得到的碳材料一般具有较低的比表面。如果应用到气体吸附领域，则需要进一步构建发达孔隙结构，特别是孔径尺寸小于0.7nm的极微孔分布对CO₂吸附捕集材料具有决定性因素。

一般来说，工业上主要通过化学活化法制备高比表面积的碳材料，其中主要以KOH为化学活化剂。该方法虽然能产生发达的孔隙结构，活化效果较好，但是传统的活化过程会消耗大量的KOH，通常是以碳前驱物3～4倍的质量比进行物理研磨，使得制备成本增加，同时造成设备腐蚀，对环境产生较大的污染，且构建的微孔孔道主要集中在1～2nm，孔隙结构仍不够发达。

发明内容

本发明的目的在于提供一种极微孔多孔碳材料及其制备方法。本发明提供的制备方法活化剂用量少，且制备得到的极微孔多孔碳材料富含孔径为0.7nm以下的极微孔。

本发明提供了一种极微孔多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将单糖在空气中进行高温氧处理，得到氧处理碳材料；

(2)将所述步骤(1)得到的氧处理碳材料与碱金属氢氧化物和水混合后进行置换反应，得到置换碳材料；

(3)将所述步骤(2)得到的置换碳材料进行活化，得到极微孔多孔碳材料。

优选的，所述步骤(1)替换为：

将单糖的水溶液在密闭容器中进行水热反应，得到预碳化材料；

将所述预碳化材料在空气中进行高温氧处理，得到氧处理碳材料。

优选的，所述水热反应的温度为160～200℃，水热反应的时间为10～24h。

优选的，所述单糖包括葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖和脱氧核糖中的一种或多种。

优选的，所述步骤(1)中高温氧处理的温度为200～400℃，高温氧处理的时间为2～12h。

优选的，所述步骤(1)中的空气为静态空气或动态空气。

优选的，所述步骤(2)中碱金属氢氧化物与氧处理碳材料的质量比优选为1.0～2.0。

优选的，所述步骤(2)中置换反应的温度为60～80℃，置换反应的时间为8～12h。

优选的，所述步骤(3)中活化的温度为600～800℃，活化的时间为2～8h。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备的极微孔多孔碳材料，所述极微孔多孔碳材料中的极微孔的孔径为0.7nm以下。