[发明专利]一种基于微量钾源催化活化调控煤基多孔碳孔隙配组的方法

说明书

一种基于微量钾源催化活化调控煤基多孔碳孔隙配组的方法，它涉及涉及一种多孔碳材料的制备方法。本发明要解决煤基多孔碳传统物理活化制备工艺中比表面积/孔隙结构发育不充分以及化学活化工艺中活化剂用量大的问题。本发明以煤为原料，利用钾基金属盐对物理活化过程的催化作用，强化了制备过程中多孔碳孔容与比表面积的发展。包括(1)原料细化(2)钾基物质添加(3)高温活化(4)活化产物清洗(5)干燥。通过改变钾盐的种类与添加比例，实现了对平均孔径与孔隙配组的深度调控，比表面积最高可达1283.6m²/g，总孔容最高可0.93cm³/g。本发明方法可面向催化、气体吸附、分离等不同领域合成具有优异性能的煤基多孔碳材料。

技术领域

本发明涉及一种多孔碳材料的制备方法，具体涉及一种基于微量钾源催化活化调控煤基多孔碳孔隙配组的方法。

背景技术

多孔碳材料是指具有不同尺寸孔结构的炭素材料，其内部孔隙尺寸、形状可根据实际应用需求进行调控。多孔碳材料具有化学稳定性高、理化结构可调、原料来源广泛等优点，其在污染物吸附、气体储存、水体净化、催化及光催化领域均获得广泛的应用。国际纯粹与应用化学联合会的定义将碳材料内的孔隙按孔径分为三类：微孔(孔径<2nm)、介孔(孔径2～50nm)和大孔(孔径>50nm)。根据构效机制，不同尺寸的孔在反应过程中发挥的主要功能也有所差异，以吸附过程为例，多孔碳材料的吸附储存性能取决于其孔隙结构与吸附质(气体分子、液相分子)动力学直径的匹配关系。对于多孔碳材料而言，其最关键的评价参数之一为孔径分布，根据材料内中大孔结构所占的比例，可将多孔碳材料分类为微孔碳、中大孔碳和分级孔碳。一般来说，微孔碳材料常用于小分子气体污染物吸附，中大孔碳材料常用于高分子水体污染物的净化或催化剂担载，分级孔碳材料可作为优异的电化学负极材料，或兼具微孔碳与中大孔碳的优异特性。

多孔碳常用的制备方法主要包括炭化活化法、软硬模板法两类，其中炭化活化法还可分为物理活化法、化学活化法、水热法等。在众多的制备方法中，如何基于简单的工艺、广泛的原料实现多孔碳的低成本高效制备是一直以来被关注的问题。煤是一种储量巨大的化石燃料，截止到2017年底，我国煤炭查明资源储量为16666.73亿吨，同比增长4.3％，以煤为原料生产多孔碳能大大降低成本，具有广阔而持续的发展前景。目前国内外煤基多孔碳的生产企业基本都采用物理/化学活化工艺，然而传统的物理/化学活化法制备煤基多孔碳材料仍然存在如下问题：

(1)由于原料煤本征理化结构的复杂性，传统物理活化的孔隙形成通常受到煤结构与气态活化剂之间较低反应活性的限制，导致煤基活性焦的比表面积/孔隙结构发育不充分。此时提高温度、加大活化剂用量等方法会导致更严重的碳结构无效烧蚀，使得多孔碳的总体产率降低，生产经济性下降。

(2)传统的化学活化法通常需要额外添加碳质前驱体质量的4～8倍左右的活化剂(KOH、H₃PO₄、K₂CO₃或ZnCl₂等)，后续处理还需要消耗大量的水/酸，极大地增加了制备成本与环境污染风险。并且上述方法难以实现对孔隙配组的深度调节，工业规模化生产的应用前景有限。

针对上述煤基多孔碳生产过程中的关键问题，发展一种理化结构可调、工艺简单、成本低廉的高性能多孔碳制备方法是重要的研究方向。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统物理活化制备煤基多孔碳方法中，存在比表面积/孔隙发育不充分，以及化学活化法所需活化剂用量大、成本高的问题，而提供一种基于微量钾源催化活化调控煤基多孔碳孔隙配组的方法。

本发明利用钾基金属盐对碳气化反应的催化作用，现提出一种基于微量钾源添加催化活化调控煤基多孔碳孔隙配组的方法，强化了制备过程中多孔碳的孔容与比表面积的发展。通过改变钾盐的种类与添加比例，深度调控了多孔碳的平均孔径与孔隙配组，基于上述简单易行、低成本的合成方法获得了适用于不同领域(如吸附、催化等)的高性能多孔碳材料。