[发明专利]一种高强度、高耐磨性的整体式多孔炭材料的制备方法

说明书

一种高强度、高耐磨性的整体式多孔炭材料的制备方法，经溶胶‑凝胶过程、固化过程、炭化热解过程一次性制备出高强度、高耐磨性的整体式多孔炭材料；以酚类化合物和醛类化合物为原料，水或乙醇为溶剂，少量碱性化合物为催化剂，以酸性含氮有机化合物为改性剂，加入适量固化剂，促进反应物聚合交联，制备出块体聚合物，干燥后炭化得到高强度、高耐磨性的整体式多孔炭材料。本发明合成的代表性样品具备了高比表、多等级孔道、高机械强度、良好的化学惰性，尤其是优良的耐磨性能，在催化剂载体、吸附剂、色谱柱填料、电极材料有广阔的应用前景。本发明方法反应条件温和、操作简单，避免了多孔炭材料高强度、耐磨性与高比表、多孔性不能兼顾的问题。

技术领域

本发明涉及一种简单的高强度、高耐磨性的整体式多孔炭材料的制备方法。

背景技术

多孔炭是一种多孔性的含碳物质，具有发达的孔隙结构、良好的化学稳定性、热稳定性、耐水汽性和导电性，在催化、吸附、电化学储能领域应用广泛。但目前制备合成的多孔炭材料为粉末状，为满足实际应用需求，必须要经过粘结剂成型，提升机械强度和耐磨性。由于粘结剂的存在，会显著降低成型多孔炭的孔隙率。因此成型炭通常还要进一步活化扩孔，但这又会降低成型炭的机械强度和耐磨性(洁净煤技术,2008,14,23；新型炭材料,2000,15:6-10)。直接制备自支撑整体式多孔炭收到企业的极大关注，近年来陆续有文献和专利报道(CN200910220488.8；CN201710406263.6)。这些整体式多孔炭的制备基本是以酚醛碱性聚合物为前躯体，经溶胶-凝胶过程和炭化过程得到。这些自支撑整体式多孔炭虽然具有丰富的孔隙结构和一定的抗压强度，但耐磨性不好，掉粉现象严重，磨耗率高，不能满足工业要求。因此需要探索新的制备工艺，在不影响炭材料比表面积和孔隙结构的基础上，同时提高自支撑整体式多孔炭的耐磨性和机械强度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有成型活性炭材料强度低、易粉化等不足，以酸性含氮有机物为改性剂，基于酚醛聚合反应，制备高强度、高耐磨性整体式多孔炭。该方法可以解决多孔炭材料高强度、高耐磨性与高比表面积、高孔隙率不能够兼得的技术难题。

本发明的技术方案：

一种高强度、高耐磨性的整体式多孔炭材料的制备方法，经溶胶-凝胶过程、固化过程、炭化热解过程一次性制备出高强度、高耐磨性的整体式多孔炭材料；以酚类化合物和醛类化合物为原料，水或乙醇为溶剂，少量碱性化合物为催化剂，以酸性含氮有机化合物为改性剂，加入适量固化剂，促进反应物聚合交联，制备出块体聚合物，干燥后炭化得到高强度、高耐磨性的整体式多孔炭材料。

步骤如下：

(1)将酸性含氮有机化合物加入甲醛溶液中，再加入碱性化合物溶液，室温搅拌至全部溶解，得到透明无色溶液，标记为溶液A，其中，酸性含氮有机化合物与甲醛的摩尔比为0.1:1～0.5:1，碱性化合物与酸性含氮有的机物摩尔比为不大于0.05:1，控制碱性化合物的浓度为1mol/l～5mol/l；

优选酸性含氮有机物与甲醛的摩尔比为0.1:1，碱性化合物与酸性含氮有机化合物摩尔比为0.038:1。

(2)配制浓度为0.2～1.0g/ml的间苯二酚溶液，标记为溶液B；

(3)将溶液B倒入溶液A，室温搅拌10～60min，得到澄清透明溶液，其中间苯二酚与甲醛的摩尔比为0.5:1～1.25:1；

(4)在搅拌状态下加入固化剂，搅拌至全部溶解，标记为溶液C，其中固化剂的用量为所有反应物总质量的0.5～5wt.％；

(5)将溶液C倒入反应器，90℃反应4h，冷却后取出，于50℃干燥24h，得到干燥的块体聚合物；

(6)炭化：将步骤(5)得到的聚合物置于氩气的气氛中，以0.5～10℃/min的升温速率升温至600～1100℃，保温2小时，即得高强度、高耐磨性的整体式多孔炭。