一种多级孔碳材料的制备方法及应用与流程

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种多级孔碳材料的制备方法。

背景技术：

活性炭是以煤、森材和果壳等含碳材料为原料制备的炭质吸附材料，其广泛用于气体吸附、分离、净化及体净化等。但随着社会发展，对其性能则提出了更高的要求，而现有多孔碳材料因其多数孔道属于微孔结构，导致开孔度较低，阻碍了其进一步的应用。而现有多级孔碳材料在合成过程中大多使用甲醛等有害、致癌物质为原材料，对环境、人体危害很大。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术问题提供一种多级孔碳材料的制备方法，绿色无污染的形式生产、获得孔径分布范围在10-50nm的多级孔结构的碳材料，更有利于减少分子扩散时的阻力。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：本多级孔碳材料的制备方法包括：包括s1：将五倍子煮沸、烘干、研磨后，得到五倍子粉末；

s2：将步骤s1得到的五倍子粉末和水混匀，得到五倍子混合液体；

s3：将步骤s2得到的五倍子混合液体置于5-40℃下搅拌0.5-1h，再离心、过滤后，得到五倍子沉淀物和五倍子液体；

s4：将步骤s3中的五倍子沉淀物和水混匀后置于5-40℃下搅拌0.5-1h，得到五倍子混合溶液；

s5：将步骤s4中的五倍子混合溶液干燥后，与20-60ml水混匀，经离心，得到深棕色五倍子提取液；

s6：将步骤s5中的五倍子提取液与三嵌段聚合物f-127溶液混匀，其中五倍子提取物溶液、f-127、水三者质量比为：6-10∶1∶8；将混合后的溶液静置沉淀3-48h，然后将沉淀物置于40-100℃下干燥5-48h，最后将干燥后的物质碳化，碳化温度为600℃-900℃，得到五倍子制备的多级孔碳材料。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，步骤s2中五倍子粉末和水的质量比为1∶20。

进一步，步骤s4中，五倍子沉淀物和水的质量比为1∶20。

进一步，步骤s4中，五倍子沉淀物和水混匀后置于30℃下搅拌1h，搅拌后的沉淀物再与等量的水混匀，重复3-9次，得到深棕色五倍子提取液。

进一步，步骤s5中，所述干燥方法为冷冻真空干燥。

进一步，碳化过程中通入的气体为氮气或氩气。

进一步，步骤s6中，氮气或氩气气体流速为25-50ml/min，升温速率为1℃/min-7℃/min。

有益效果：

(1)利用五倍子这种天然植物资源为原材料制备多级孔碳材料，无污染，代替木材生产活性炭，利于工业化的推广；

(2)采用水为溶解剂，将五倍子便于水溶的成分提取出来，生产成本低，制备过程无污染；

(3)利用f-127软模板的方式得到介孔、大孔的多级孔碳材料，在电化学储能器件中存储更多的电解质从而提高储能器件的能量密度，在生物方面能够容纳更多药物，而较大尺寸的孔道结构能够促使原子、离子以及大的分子都能进入到材料内部深处的位置，尤其是在生物医用材料领域，对于生物活性大分子的吸收与释放也具有促进作用。

一种所述制备方法得到的多级孔碳材料在分离原油中发现的重质馏分等大分子的应用。

有益效果：所获得的多级孔结构碳材料与传统商用活性炭相比具有孔容大、孔径尺寸大的特点，大孔容可以为吸附质提供更多的存储空间，绿色无污染的形式生产、获得孔径分布范围在10-50nm的多级孔结构的碳材料，更有利于减少分子扩散时的阻力。

附图说明

图1为多级孔碳材料数码图；

图2为多级孔碳材料的显微图之一；

图3为多级孔碳材料的显微图之二；

图4为多级孔碳材料的孔径分布曲线图；

图5为现有的活性炭孔径分布曲线图；

图6为本申请的活性炭孔径分布曲线图；

图7为不同浓度下的表面活性剂的多孔材料孔道结构图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1-5所示，本实施例提供一种多级孔碳材料的制备方法，包括：s1：将五倍子煮沸、烘干、研磨后，得到五倍子粉末；

s2：将步骤s1得到的五倍子粉末和水按照质量比1∶20混匀，得到五倍子混合液体；

s3：将步骤s2得到的五倍子混合液体置于30℃下搅拌1h，再离心、过滤后，得到五倍子沉淀物；

s4：将步骤s3中的五倍子沉淀物和水按照质量比为1∶20混匀后置于30℃下搅拌1h，得到五倍子混合溶液，重复6次；

s5：将步骤s4中的五倍子混合溶液置于冷冻真空干燥机干燥后，与40ml水混匀，经离心，得到深棕色五倍子提取液；

s6：将步骤s5中的五倍子提取液与三嵌段聚合物f-127溶液混匀，其中五倍子提取物溶液、f-127、水三者质量比为：8∶1∶8；将混合后的溶液静置沉淀24h，然后将沉淀物置于80℃下干燥24h，最后将干燥后的物质火炉中通入氮气或氩气进行碳化，氮气或氩气气体流速为35ml/min，升温速率为4℃/min，碳化温度为900℃，得到五倍子制备的多级孔碳材料。

从图6中可以看出，当f-127的用量为1g时，得到的多级孔碳材料的孔径主要控制在15-40nm。

实施例2

本实施例提供一种多级孔碳材料的制备方法，包括：s1：将五倍子煮沸、烘干、研磨后，得到五倍子粉末；

s2：将步骤s1得到的五倍子粉末和水按照质量比1∶20混匀，得到五倍子混合液体；

s3：将步骤s2得到的五倍子混合液体置于30℃下搅拌1h，再离心、过滤后，得到五倍子沉淀物；

s4：将步骤s3中的五倍子沉淀物和水按照质量比为1∶20混匀后置于30℃下搅拌1h，得到五倍子混合溶液，重复6次；

s5：将步骤s4中的五倍子混合溶液置于冷冻真空干燥机干燥后，与40ml水混匀，得到深棕色五倍子提取液；

s6：将步骤s5中的五倍子提取液与三嵌段聚合物f-127溶液混匀，其中五倍子提取物溶液、f-127、水三者质量比为：8∶0.5∶8；将混合后的溶液静置沉淀24h，然后将沉淀物置于80℃下干燥24h，最后将干燥后的物质火炉中通入氮气或氩气进行碳化，氮气或氩气气体流速为35ml/min，升温速率为4℃/min，碳化温度为900℃，得到五倍子制备的多级孔碳材料。

从图6中可以看出，当f-127的用量为0.5g时，得到的多级孔碳材料的孔径主要控制在10-20nm。

实施例3

本实施例提供一种多级孔碳材料的制备方法，包括：s1：将五倍子煮沸、烘干、研磨后，得到五倍子粉末；

s2：将步骤s1得到的五倍子粉末和水按照质量比1∶20混匀，得到五倍子混合液体；

s3：将步骤s2得到的五倍子混合液体置于30℃下搅拌1h，再离心、过滤后，得到五倍子沉淀物；

s4：将步骤s3中的五倍子沉淀物和水按照质量比为1∶20混匀后置于30℃下搅拌1h，得到五倍子混合溶液，重复6次；

s5：将步骤s4中的五倍子混合溶液置于冷冻真空干燥机干燥后，与40ml水混匀，经离心，得到深棕色五倍子提取液；

s6：将步骤s5中的五倍子提取液与三嵌段聚合物f-127溶液混匀，其中五倍子提取物溶液、f-127、水三者质量比为：8∶0.5∶8；将混合后的溶液静置沉淀24h，然后将沉淀物置于80℃下干燥24h，最后将干燥后的物质火炉中通入氮气或氩气进行碳化，氮气或氩气气体流速为35ml/min，升温速率为4℃/min，碳化温度为900℃，得到五倍子制备的多级孔碳材料。

从图6中可以看出，当f-127的用量为0.1g时，得到的多级孔碳材料的孔径主要控制在10nm以下。

根据实施例1、2和3可以得出，使用不同模板剂(f-127)用量对产品孔径分布进行调节，可以根据实际的应用场景选择合适的孔径范围，充分利用其吸附能力。

图7中可以看出，纵坐标为温度，横坐标为表面活性剂浓度，随着浓度的增加，表面活性剂从最初的自由状态，逐步变为球状，随着浓度的增加，可进一步调控表面活性剂的结构变为长条形的胶束状、甚至层状结构。而表面活性剂在高温碳化过程中，会分解为气体，因此可通过调控表面活性剂(模板剂)的浓度，调节所制得的多孔材料的孔道结构、形状及尺寸。

图4中为本专利获得的多级孔碳材料的孔径分布范围，图5为现有的活性炭孔径分布范围，活性炭孔径分布参考文献：improvementintheadsorptionofanionicandcationicdyesfromaqueoussolutions：acomparativestudyusingaluminiumpillaredclaysandactivatedcarbon。本专利的介孔碳材料孔径分布在10-50nm范围内，传统商用活性炭孔径则在小于4nm的范围内。

多孔材料的孔径尺寸分为微孔(小于2nm)，介孔(2-50nm)、大孔(大于50nm)，最初多孔材料被广泛用在石油化工催化和分子分离等领域。在这个领域，存在一个关键问题始终难以解决：沸石孔道的直径通常小于2nm，在原油中发现的重质馏分等大分子无法通过这些沸石的小孔，因而无法进行高效地分离处理。科研人员进行了许多尝试，希望获得具有更大孔径的材料。因此介孔以及多级孔(包含2种以上孔径种类的材料)的研发成为了研究热点。目前多孔材料已在催化、储能器件、生物医疗、传感器等领域得到应用。

通过扫描电子显微镜、氮气脱吸附测试可以看出，多级孔结构碳材料与传统商用活性炭相比具有孔容大、孔径尺寸大的特点，大孔容可以为吸附质提供更多的存储空间，例如在电化学储能器件中存储更多的电解质从而提高储能器件的能量密度，例如在生物方面能够容纳更多药物，而较大尺寸的孔道结构能够促使原子、离子以及大的分子都能进入到材料内部深处的位置，尤其是在生物医用材料领域，对于生物活性大分子的吸收与释放也具有促进作用。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“内”、“外”、“周侧”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。