[发明专利]制备活性炭的方法

说明书

在第一方面，本发明涉及一种制备活性炭的方法，所述方法包括以下步骤：a)将碳质前体与化学活化剂混合以获得原料混合物；b)通过在物理活化气体的气氛下加热所述原料混合物来制备活性炭；和c)对所制备的活性炭进行合适的后活化处理；其中步骤a)依次包括以下子步骤：i.加入第一化学活化剂以获得浸渍的前体；和ii.加入第二化学活化剂以获得原料混合物。在第二方面，本发明涉及可通过根据本发明的第一方面的方法获得的活性炭物质。因此，可以调节活性炭物质以使其具有优化以用于碳电极的孔径分布，例如主要由微孔和中孔组成，如图1所示。

本发明涉及一种制备活性炭的方法，所述方法包括以下步骤：将碳质前体与化学活化剂混合以获得原料混合物；通过在物理活化气体的气氛下加热原料混合物来制备活性炭；并对所制备的活性炭进行适当的后活化处理。本发明还涉及可通过这种方法获得的活性炭物质。

活性炭，也称为活化炭，是指一组具有高孔隙率和良好发展的比表面积(即每单位质量的表面积)的无定形碳质材料。它通常通过热解不同的含碳物质，然后通过物理或化学过程活化来制造，并且它可以以许多不同的形式存在，例如颗粒、粉末、纤维材料、布或整料。活性炭已广泛用于工业领域，例如作为超级电容器的电极材料，作为水和气体净化的吸附剂，以及由于其良好的孔隙率、高比表面积和良好的热稳定性和化学稳定性而作为无金属催化剂或催化剂载体。为给定应用选择活性炭的主要标准是其表面化学组成、纯度、电导率和多孔质地性质，例如孔体积、比表面积和孔径分布。对电能储存、污染清理和环境友好产品的日益关注刺激了对活性炭需求的显著增加。

活性炭可由各种碳质源材料通过物理或化学活化来制备，该碳质源材料包括化石燃料源，如石油焦、煤和煤焦油；生物质源，如坚果壳、椰子壳和木材；以及合成聚合物，如聚丙烯腈、聚偏二氯乙烯和酚醛树脂。活性炭原料的选择会影响最终产品的结构、纯度、表面化学组成、导电性、粒度和质地特性。在选择原材料时，其价格往往是决定性因素。因此，目前，由于其可负担性、广泛可用性和高的可持续性，大部分活性炭由生物质制造。然而，合成聚合物具有高纯度的优点，因此它们通常被选择用于制备高纯度的活性炭。

大多数碳质材料可通过热解和活化而转化为活性炭。最终产品的性质在很大程度上取决于原料碳质前体材料的性质、活化剂的性质和活化过程的条件。具有不同质地特性的活性炭的制备可以通过物理或化学活化过程来实现。物理活化通常涉及在惰性气氛中使碳质前体碳化以除去挥发性组分，然后在合适的气化剂(例如蒸汽、二氧化碳、氧气、空气、氨气或这些气体的任意混合物)存在下活化，以在高温下产生孔隙。通过选择性地消除结构中反应性更高的碳来生成孔隙，并且进一步气化以导致产生具有所寻求的孔结构的活性炭。通常，用二氧化碳进行的活化导致小微孔的产生和扩宽，而用蒸汽进行的活化仅促进现有微孔的扩宽。此外，当选择氨作为活化剂时，可以产生具有低氧含量的活性炭。

化学活化通常通过将碳质材料与化学活化剂(例如氢氧化钾、氯化锌或磷酸)混合，然后在惰性气体下在高温下活化来进行。多年来，化学活化方法已被用于生产活性炭，并且已经深入研究了活化机理。关于碱金属化合物(例如氢氧化钾)的特定活化机理，普遍接受的观点是，它包括碳结构和金属化合物之间的氧化还原反应，金属嵌入碳晶格中，以及蒸汽和二氧化碳导致的气化。因此，通过使用碱金属化合物作为活化剂，可以以非常有效的方式生产具有宽范围孔径分布的活性炭。在用磷酸和金属氯化物(例如氯化锌)进行化学活化时，这些化学物质充当脱水剂，其改变碳质材料的热解行为，从而导致形成较少的令人讨厌的焦油产品。磷酸和金属氯化物都会使源材料中的氢和氧原子作为水而不是烃或含氧有机化合物被剥离。结果，碳产率通常高于物理活化。此外，通过调整碳质前体和磷酸或金属氯化物的质量比，可以在一定程度上控制活性炭的孔径分布。与物理活化相比，化学活化具有优越的优点，例如更低的活化温度、更高的产率、更好的效率、更高的比表面积和更大的孔体积。然而，物理活化具有活化率中等的优点，这有利于微孔尺寸调节。因此，物理活化与化学活化的结合使活化过程更加有效，可控并且灵活。