本發(fā)明涉及多孔碳制備領(lǐng)域，尤其涉及一種制備多孔碳的方法與多孔碳。

背景技術(shù)：

化學(xué)刻蝕法是目前常用的制備多孔碳材料的方法，一般使用KOH、H₃PO₄、ZnCl₂、CO₂、水蒸氣等作為活化劑，高溫下活化制備多孔碳材料。相比于模板法，生產(chǎn)成本更為低廉、生產(chǎn)周期更短，更容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化?；瘜W(xué)刻蝕法是基于高溫下活化劑與碳反應(yīng)消耗一部分碳元素從而形成孔洞，并且生成的氣體（二氧化碳、一氧化碳、甲烷等）從碳材料表面逸出，進(jìn)一步形成孔洞。這其中存在的問題是，碳源的選擇是影響活化效率的一個(gè)重要因素，目前常使用木材、果殼、煤等作為前驅(qū)體，但是由這些制備的活性炭比表面積以及孔隙率都相對(duì)較低。

因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進(jìn)和發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種制備多孔碳的方法與多孔碳，旨在解決現(xiàn)有碳源制備的多孔碳比表面積以及孔隙率都相對(duì)較低的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種制備多孔碳的方法，其中，包括步驟：將碳源與活化劑混合均勻，并烘干后，惰性氣氛下碳化，得到多孔碳；其中，所述碳源含有N、P、B、S中的一種或多種元素。

所述的制備多孔碳的方法，其中，所述碳源可以為聚吡咯、聚苯胺、聚多巴胺、聚吡啶、聚噻吩、聚丙烯腈、蛋白質(zhì)、聚氨酯、聚酰亞胺、聚苯硫醚以及其他含有N、P、B和S中的一種或多種元素的材料。

所述的制備多孔碳的方法，其中，所述活化劑為L(zhǎng)iOH、NaOH、KOH、H₃PO₄、HNO₃、H₂SO₄、LiCl、KCl、NaCl、ZnCl₂、K₂CO₃ LiCO₃ Na₂CO₃中的一種。

所述的制備多孔碳的方法，其中，所述活化劑含有碳、氫、氧、氮、的中的一種或幾種的極性、可揮發(fā)的化合物。

所述的制備多孔碳的方法，其中，所述活化劑為NH₃、CCl₃H、CCl₂H₂、CClH₃、CO₂或水蒸氣。

所述的制備多孔碳的方法，其中，所述碳化的條件為：氣體流量為30-500cc/min，升溫速率為1-100℃/min，碳化溫度為300-1000攝氏度，碳化時(shí)間為1-6h。

所述的制備多孔碳的方法，其中，還包括步驟：使用稀鹽酸超聲清洗所得到的多孔碳，然后用蒸餾水、乙醇洗至濾出液為中性。

所述的制備多孔碳的方法，其中，所述稀鹽酸為0.1-2M稀鹽酸。

所述的制備多孔碳的方法，其中，所述惰性氣氛為氮?dú)饣驓鍤狻?/p>

一種多孔碳，其中，采用如上任一所述的制備多孔碳的方法制備而成。

有益效果：本發(fā)明使用一些含N、P、B、S等元素的材料作為碳源，后經(jīng)過活化劑活化，制備出高比表面積和孔隙率的多孔碳。本發(fā)明犧牲弱鍵的方法，顯著提高了活化劑對(duì)碳材料的活化效率。

附圖說明

圖1 為實(shí)施例3制備得到的多孔碳的氮?dú)馕摳角€。

圖2為實(shí)施例3制備得到的多孔碳的孔徑分布圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種制備多孔碳的方法與多孔碳，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明的一種制備多孔碳的方法較佳實(shí)施例，其中，包括步驟：將碳源與活化劑混合均勻，其混合質(zhì)量比為1：（1~6），例如質(zhì)量比可以為1:1、1:2、1:3、1:4、1:5或1:6，并烘干后，惰性氣氛下碳化，例如可以在氮?dú)饣驓鍤鈿夥障绿蓟?，其中碳化的條件為：氣體流量為30-500cc/min，升溫速率為1-100^oC/min，碳化溫度為300-1000攝氏度，碳化時(shí)間為1-6h，得到多孔碳；其中，所述碳源含有N、P、B和S中的一種或多種元素。本發(fā)明制備多孔碳的方法，還可以直接碳化制成多孔碳。

本發(fā)明使用一些含N、P、B、S等元素的材料作為碳源，后經(jīng)過KOH、H₃PO₄、ZnCl₂、CO₂或水蒸氣等活化劑活化，制備出高比表面積多孔碳。這是由于C-N鍵、C-P鍵、C- B鍵和C-S鍵相比于C-C鍵鍵能更弱，所以活化劑會(huì)優(yōu)先刻蝕N、P、B、S等雜元素及其周圍的碳，從而形成均勻的孔洞，提高刻蝕效率，提高比表面積。本發(fā)明犧牲弱鍵的方法，顯著提高了活化劑對(duì)碳材料的活化效率。

上述步驟具體為，本發(fā)明碳源與活化劑可以是固固混合，亦可以是水溶解活化劑后與碳源混合。充分烘干后，惰性氣氛（如氮?dú)饣驓鍤猓┫绿蓟?，得到多孔碳。之后使用過量的0.1-2M稀鹽酸（優(yōu)選2M稀鹽酸）超聲清洗所得到的多孔碳，然后用蒸餾水、乙醇洗至濾出液為中性。

優(yōu)選地，本發(fā)明所述碳源可以為但不限于聚吡咯、聚苯胺、聚多巴胺、聚吡啶、聚噻吩、聚丙烯腈、蛋白質(zhì)、聚氨酯、聚酰亞胺、聚苯硫醚，以及其他含有N、P、B或S的材料。更優(yōu)選地，本發(fā)明所述碳源為聚吡咯、聚苯胺或聚吡啶。

更優(yōu)選地，本發(fā)明所述碳化的條件為：氣體流量為50-300cc/min，升溫速率為1-100C/min，碳化溫度為500-1000攝氏度，碳化時(shí)間為1-6h。當(dāng)活化劑為CO₂或水蒸氣時(shí)，碳化過程中需要通入CO₂氣體或者水蒸氣。

本發(fā)明的一種多孔碳，其中，采用如上任一所述的制備多孔碳的方法制備而成。本發(fā)明使用一些含N、S、P等元素的材料作為碳源進(jìn)行碳化，得到的多孔碳具有高的比表面積與孔隙率，顯著高于生物質(zhì)材料制備的多孔碳。

下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

合成2g聚多巴胺，以質(zhì)量比1:5的比例與KOH飽和溶液混合均勻，在120^oC充分干燥后，轉(zhuǎn)移至鎳舟中；將裝有混合后樣品的鎳舟轉(zhuǎn)入管式炭化爐中，在流動(dòng)氬氣氛下（200cc/min），以5^oC/min速率升溫至200^oC后保溫3h，然后繼續(xù)升溫至碳化溫度600 ^oC保溫3h。待溫度降至室溫后，將樣品取出，并用過量的2M HCl超聲清洗1h；然后分別用去離子水和乙醇清洗三次至濾出液為中性，充分干燥后得到所制備的多孔碳。

實(shí)施例2~4

除了分別改變碳化溫度為700 ^oC、800 ^oC和900 ^oC外，其他實(shí)驗(yàn)過程及其條件與實(shí)施例1相同。

對(duì)照例

除了以常見制備多孔碳的木屑作為碳源，其他實(shí)驗(yàn)過程及其條件與實(shí)施例1相同。

下面對(duì)實(shí)施例1~4與對(duì)照例的比表面積與總孔容進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見下表1。

表1、測(cè)試結(jié)果

由上表可知，相同實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)施例3的比表面積與總孔容都遠(yuǎn)高于對(duì)照例，而且在600-800^oC內(nèi)，多孔碳的比表面積與總孔容隨著碳化溫度的升高而升高，碳化溫度800^oC為最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件。實(shí)施例4中，由于溫度過高，導(dǎo)致比表面積與總孔容有少許降低。

圖1 為實(shí)施例3制備得到的多孔碳的氮?dú)馕摳角€。由圖可知，多孔碳對(duì)氮?dú)獗憩F(xiàn)出很高的吸附量，比表面積高達(dá)3887.3 m²·g^-1。所得到的曲線為I和IV型，說明所制備的多孔碳微孔與介孔同時(shí)存在。

圖2為實(shí)施例3制備得到的多孔碳的孔徑分布圖，其中介孔分布根據(jù)Barrett-Joyner-Halenda法（比表面積和孔徑分布分析）得到，微孔分布根據(jù)Horvarth-Kawazoe法（微孔分布計(jì)算法）得到。由圖可知，制備的多孔碳的微孔分布在0.5-1nm之間，介孔分布在4-10nm之間。

綜上所述，本發(fā)明的一種制備多孔碳的方法與多孔碳，本發(fā)明使用一些含N、P、B、S等元素的材料作為碳源，后經(jīng)過活化劑活化制備高比表面積多孔碳。由于C-N鍵、C-P鍵、C-B鍵和C-S鍵相比于C-C鍵鍵能更弱，所以活化劑會(huì)優(yōu)先刻蝕N、P、B、S等雜元素及其周圍的碳，從而形成均勻的孔洞，提高刻蝕效率，提高比表面積。本發(fā)明犧牲弱鍵的方法，顯著提高了活化劑對(duì)碳材料的活化效率。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的應(yīng)用不限于上述的舉例，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。