[发明专利]一种粘胶基含氮活性碳纤维材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于活性碳纤维材料的制备和应用技术领域，具体涉及一种粘胶基含氮活性碳纤维材料及其制备方法和应用。该材料中氮的质量含量为4.27～7.43％，比表面积为609～1159cm²/g，总孔体积为0.31～0.54cm³/g。本发明的粘胶基含氮活性碳纤维材料比表面积大，微孔率高，所用原料易得，经济环保，且该粘胶基含氮活性碳纤维材料的制备实现了碳化‑活化一步完成，操作简单，减少时耗和能耗。本发明的粘胶基含氮活性碳纤维材料对二氧化碳具有良好的吸附性，并且具有优良的CO₂/CH₄选择性，在气体吸附和分离领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于活性碳纤维材料的制备和应用技术领域，具体涉及一种粘胶基含氮活性碳纤维材料及其制备方法和应用。

背景技术

活性多孔碳具有高的比表面积及孔隙率；制备工艺简单、产量高，原料易得，成本低廉；通过改变制备参数，优化组合方式，易于调控其孔道结构；使用的造孔剂可以通过自身升华的方式造孔等一系列的优点，被用作吸附剂而广泛的研究。

而近年来，有学者研究发现活性碳纤维布(即活性多孔碳纤维材料)是一种高效的气体吸附剂，与传统的粉末和颗粒活性炭相比，活性碳纤维布具有以下优势：(1)活性碳纤维布的孔大部分开在表面，因此其传质扩散阻力较小，吸脱附速率很快；(2)活性碳纤维布具有大的比表面积，这为其提供了快速的吸附速率和质量转移速率；(3)还具有低密度，高微孔率、优越的化学稳定性、优异的导电性；(4)低廉的生产成本和丰富的制造工艺等优势而被用于储能、吸附、环保、催化剂载体、电化学材料等领域。

活性多孔碳纤维材料的制备方法主要有物理活化法和化学活化法。

化学活化法是通过选择合适的化学试剂为活化剂，把活化剂与原料混合后经历一系列的交联缩聚反应后，化学试剂嵌入到碳纤维内部而形成微孔。化学活化和碳化可以同时进行，即直接升温至活化温度进行碳化和活化。

物理活化法是将原料在高温下与水蒸气、二氧化碳或空气等氧化性气体发生反应，活化过程中无序的碳被氧化刻蚀成孔，在材料内部形成发达的微孔结构。物理活化一般需先碳化再活化，碳化温度一般在600℃，活化温度一般在800～900℃之间。

相对于物理活化，化学活化需要较低的温度，通过选择合适的活化剂控制反应条件可制得高比表面积活性碳。但化学活化对设备腐蚀性大，污染环境，其制得的活性碳中残留化学药品活化剂，应用受到限制。

申请公布号为CN106435841A的中国发明专利申请公开了一种通过静电纺丝和气流牵伸的方法制备了一种多孔聚丙烯腈纤维，该方法中原始材料需要先进行预氧化处理，之后进行高温条件的碳化处理后得到内部具有蜂窝孔道的多孔碳纤维。申请公布号为CN107221454A的中国发明专利申请公开了以棉纤维织物为原料制得的一种多孔碳纤维布，其保留了棉纤维原有的中空管状结构以及织物原有的紧密编织特质，可作为超级电容器的柔性电极使用。

目前，多孔碳纤维布的研究大多集中于聚丙烯腈纤维和棉织物纤维这两种纤维，而关于粘胶基纤维布料用于制备活性碳纤维布的报道却很鲜见。因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种比表面积大、孔隙率高的粘胶基含氮活性碳纤维材料及其制备方法和应用，以解决现有粘胶基含氮活性碳纤维材料的吸附性能不能满足使用需求的问题。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种粘胶基含氮活性碳纤维材料，其比表面积为609～1159cm²/g，总孔体积为0.31～0.54cm³/g，氮的质量含量为4.27～7.43％。

优选地，粘胶基含氮活性碳纤维材料中，孔径小于1nm的超微孔孔体积占总孔体积的50～65％，孔径小于2nm的微孔孔体积占总孔体积的67～80％。