[发明专利]一种介孔多级结构碳微球及其制备方法

说明书

本发明涉及一种介孔多级结构碳微球及其制备方法，属于新材料技术与新能源领域，解决了现有多孔碳材料无法满足电化学储能材料、吸附分离材料的要求；本发明的介孔多级结构碳微球的制备方法包括：步骤1、将乙炔碳黑和N‑羟基邻苯二甲酰亚胺按一定比例分散于乙腈中形成混合物，在空气中进行预氧化处理，得到碳黑胶体；步骤2、将碳黑胶体分散于去离子水中，向其中依次加入尿素和的甲醛水溶液，搅拌、加热至脲醛缩合温度，形成脲醛树脂‑碳黑胶体复合微球；步骤3、将脲醛树脂‑碳黑胶体复合微球进行热处理，得到介孔多级结构碳微球。本发明实现了介孔多级结构碳微球在电化学储能材料，吸附分离材料，传感器，隔热隔音减震材料等方面的应用。

技术领域

本发明涉及新材料技术与新能源领域，尤其涉及一种介孔多级结构碳微球及其制备方法。

背景技术

人类将木炭作为多孔吸附材料的历史可以追溯到公元前1550，活性炭一直作为多孔吸附材料广泛应用于水处理与气体吸附。随着纳米科技的迅速发展，各种具有全新纳米尺度结构的碳材料不断涌现，例如：碳纳米纤维，碳纳米管，富勒烯，碳纳米锥，石墨烯，石墨烯纳米带，纳米金刚石等。

由于纳米尺度的新颖结构，使得获得高性能的多孔碳材料有了全新的策略。具有新型纳米结构的多孔碳材料有助于解决目前环境与能源领域所面临的各种棘手问题，如废水处理，重金属及有害分子的吸附，检测用传感器，氢气存储材料，电化学储能材料，催化剂载体等方面。

多孔碳材料应用于环境与能源领域，主要依赖于其多孔特性及吸附性能，但现有的多孔碳材料普遍存在以下几点问题：

第一、现有多孔碳材料的孔隙尺寸分布相对较窄，主要以小于1μm的微孔为主，这限制了其使用范围。

第二、现有多孔碳材料的孔隙结构为树枝状分层分布，如果中间过渡孔道堵塞会导致大量末端分散孔结构的吸附性能失效，同时由于较长的过渡孔道的存在，这使得吸附过程需要较长时间达到吸附平衡。

第三、现有多孔碳材料的制孔方法中多采用化学或物理的刻蚀插层过程，制得的多孔系统多为微孔，如果要制备介孔系统，需要采用模板法，但这类方法涉及到模板结构的去除问题，其经济性、环保性、过程效率都偏低。

第四、现有多孔碳材料为无规则的颗粒，在使用过程中机械强度与耐磨性能相对较差，容易造成碎片剥离，造成二次污染。同时不规则颗粒形成的吸附层渗透性较差，容易引起较大的压差直接造成传质阻塞。采用规则的球形物理形态，可以降低与气液相接触的机械摩擦，同时吸附层可以保持很高的堆积密度与可渗透性。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种介孔多级结构碳微球及其制备方法，用以解决现有多孔碳材料的多孔特性及吸附特性无法满足目前环境与能源领域要求的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明公开了一种介孔多级结构碳微球，介孔多级结构碳微球含有孔径为8～10nm的介孔结构和孔径为0.5～1.0nm的微孔结构；介孔孔容/微孔孔容比值为3.4～5.9；介孔多级结构碳微球的比表面积为1000～1450m²/g。

进一步地，以纳米碳黑颗粒为基本单元，通过对其表面进行预氧化处理，预氧化产物的含氧量为0.41～3.0％，采用聚合诱导胶体凝聚法来构筑孔隙结构，得到介孔多级结构碳微球。

进一步地，采用N-羟基邻苯二甲酰亚胺作为氧化催化剂与空气中的氧结合形成自由基，对纳米碳黑颗粒进行预氧化处理。

进一步地，介孔多级结构碳微球的制备材料包括：乙炔碳黑、N-羟基邻苯二甲酰亚胺、尿素、甲醛水溶液；N-羟基邻苯二甲酰亚胺用量为乙炔碳黑质量的2～9％；尿素用量为乙炔碳黑质量的2～10％；甲醛水溶液用量为乙炔碳黑质量的3～16％。