一种低成本多孔炭微球及其制备方法与流程

本发明属于碳素结构材料技术领域，具体涉及一种低成本多孔炭微球的制备方法。

背景技术：

自20世纪60年代炭微球在人们研究焦炭的过程中被意外发现以来，由于其独特的结构和优异的物理、化学性能和较高的堆积密度，一直受到学者们的关注。炭微球是由石墨微晶环绕分布组成的球形炭材料，其直径通常在0.3~3μm，主要类型包括实心炭微球、空心炭微球和多孔炭微球。相比于实心炭微球和空心炭微球，多孔炭微球具有多孔炭材料的特性，展现出了更好地理化稳定性、本征阻尼性能、更高的比表面积和更好的孔结构分布，相比于天然石墨，其又具有更大的比表面积和独特的结构，同时具备良好的生物相容性、隔热性、导电特性等炭材料所拥有的共性，且球壁外部又可进一步进行改性与优化，因此它能够在生物、医药、能源、环境等诸多领域都有着良好的应用前景。

国内外学者们的研究工作主要集中在对制备多孔炭微球工艺的探索上，目前发展的较为成熟且应用广泛的方法主要有模板法、溶剂热法、自组装法、爆炸法、微球活化法等，然而上述方法在兼顾制备成本的同时很难能保证制备的多孔炭微球产率高、球形度好、粒径均匀且杂质少。此外，目前制备多孔炭微球的方法主要以各类沥青、焦油等物质作为碳源，不但对制备设备要求高，更是容易在生产过程中造成环境污染。总而言之，尽管多孔炭微球以优异的性能受到学者们的青睐，但是来自原料、成本与制备工艺缺陷的限制依然阻碍了它在工业上的进一步应用与推广。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种低成本制备多孔炭微球的方法，该方法制得的多孔炭微球具有良好的球形度和多孔结构、规整性好，且其所用原料价格低廉，制备工艺简单，制备过程更为绿色环保，易于工业化生产。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低成本多孔炭微球，其制备方法包括如下步骤：

（1）原料的混合

将碳前驱体、添加剂和溶剂按一定质量比搅拌混合，然后放入烘箱中干燥；

（2）相分离

将步骤（1）干燥后的物料放入真空干燥箱中，抽真空后升温至预定温度进行相分离，获得多孔炭微球前驱体，随炉冷却至室温后取出；

具体工艺参数为：

升温速率：1℃/min～25℃/min，

预定温度：100℃～250℃，

保温时间：0.5h～7h，

真空度：1.0×10^-1~1.0×10⁵pa；

（3）炭化

将步骤（2）所得多孔炭微球前驱体放入真空炉中，在一定气氛下升温至预定温度后进行保温炭化，然后随炉冷却至室温取出；

炭化的具体工艺参数为：

升温速率：1℃/min～25℃/min，

预定温度：700℃～1500℃，

保温时间：1h～5h，

保护气氛：n2或者真空至1.0×10^-1~1.0×10²pa；

（4）酸洗

将步骤（3）所得炭化产物置于酸溶液中搅拌一定时间，过滤分离后滤渣用水洗至洗液呈中性后，放入烘箱进行干燥，即得所述多孔炭微球。

步骤（1）中所用碳前驱体和添加剂的质量比为1:1～10:1，溶剂的用量为所用碳前驱体和添加剂质量之和的1～5倍。其中，所述碳前驱体为蔗糖、葡萄糖、果糖、麦芽糖、壳聚糖、乳糖、甘露糖、核糖、可溶性淀粉中的任意一种。所述添加剂为硫酸铁、硫酸亚铁、硫酸铝、硝酸铁、硝酸铝、氯化铁、氯化亚铁、氯化铝中的任意一种。所述溶剂为水或乙醇。

步骤（1）中所述搅拌的温度为25～50℃，时间为1～2h，速度为50-500r/min；所述干燥的温度为60～95℃，时间为2～36h。

步骤（4）中所述酸溶液是浓度为1mol/l～6mol/l的盐酸、磷酸、硝酸、草酸或硫酸的水溶液。所述搅拌的时间为1～10h，速度为30～200r/min。所述干燥的温度为50～150℃，时间为1～24h。

所得多孔炭微球的比表面积为50～300m²/g，平均球径为1～3μm，孔径为2nm～50nm。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明制备的多孔炭微球比表面积大，介孔含量高（80~98%），结构规整，球形度好；

（2）本发明方法原料来源丰富，价格低廉，工艺流程简单，对工艺设备要求低，生产过程绿色环保，生产效率高，易实现产业化。

附图说明

图1为实施例1制备的多孔炭微球的扫描电镜图片；

图2为实施例2制备的多孔炭微球的扫描电镜图片；

图3为实施例3制备的多孔炭微球的扫描电镜图片；

图4为实施例4制备的多孔炭微球的扫描电镜图片。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

实施例1

将蔗糖和硫酸铝按照质量比1:1称量后共同作为原料，采用水为溶剂，将原料与溶剂按质量比1:4.5通过机械搅拌（搅拌温度为50℃，搅拌时间为1h，搅拌速度为50r/min）使其混合均匀；搅拌结束后将样品放入60℃烘箱中干燥30小时；将干燥后的样品放入真空干燥箱（真空度1.0×10⁵pa）中，以2℃/min的速度升温至160℃，保温3h，冷却至室温；然后将产物放入真空炉（真空度0.1pa）中，以10℃/min的速度升温至1500℃，保温炭化1h，冷却至室温取出；将炭化产物置于2mol/l的盐酸溶液中搅拌5h（搅拌速度为50r/min），过滤分离后滤渣用去离子水洗至中性，再放于50℃烘箱中干燥24小时，即可得到多孔炭微球。

所制备的多孔炭微球平均粒径为2.4μm，孔径尺寸为2nm-21nm，介孔含量80%，比表面积为282.4m²/g。

实施例2

将葡萄糖和硫酸亚铁按照质量比2.7:1称量后共同作为原料，采用乙醇为溶剂，将原料与溶剂按质量比1:5通过机械搅拌（搅拌温度为30℃，搅拌时间为1h，搅拌速度为200r/min）使其混合均匀；搅拌结束后将样品放入80℃烘箱中干燥16小时；将干燥后的样品放入真空干燥箱（真空度1.0×10³pa）中，以5℃/min的速度升温至150℃，保温3.5h，冷却至室温；然后将产物放入真空炉（真空度100pa）中，以2℃/min的速度升温至1000℃，保温炭化3h，冷却至室温取出；将炭化产物置于1mol/l的硝酸溶液中搅拌10h（搅拌速度为200r/min），过滤分离后滤渣用去离子水洗至中性，再放于80℃烘箱中干燥9小时，即可得到多孔炭微球。

所制备的多孔炭微球的平均粒径为2.7μm，孔径尺寸为2nm-17nm，介孔含量90%，比表面积为64.5m²/g。

实施例3

将麦芽糖和氯化铝按照质量比5:1称量后共同作为原料，采用水为溶剂，将原料与溶剂按质量比1:3通过机械搅拌（搅拌温度为45℃，搅拌时间为2h，搅拌速度为500r/min）使其混合均匀；搅拌结束后将样品放入95℃烘箱中干燥36小时；将干燥后的样品放入真空干燥箱（真空度1.0×10³pa）中，以25℃/min的速度升温至165℃，保温4h，冷却至室温；然后将产物放入真空炉（真空度80pa）中，以1℃/min的速度升温至700℃，保温炭化5h，冷却至室温取出；将炭化产物置于6mol/l的盐酸溶液中搅拌4.5h（搅拌速度为500r/min），过滤分离后滤渣用去离子水洗至中性，再放于140℃烘箱中干燥2h，即可得到多孔炭微球。

所制备的多孔炭微球的平均粒径为2.9μm，孔径尺寸为2nm-22nm，介孔含量98%，比表面积为71.8m²/g。

实施例4

将壳聚糖和硫酸铝按照质量比7.5:1称量后共同作为原料，采用乙醇为溶剂，将原料与溶剂按质量比1:5通过机械搅拌（搅拌温度为50℃，搅拌时间为1.5h，搅拌速度为250r/min）使其混合均匀；搅拌结束后将样品放入70℃烘箱中干燥36小时；将干燥后的样品放入真空干燥箱（真空度1.0×10²pa）中，以15℃/min的速度升温至250℃，保温5h，冷却至室温；然后将产物放入真空炉（真空度10pa）中，以25℃/min的速度升温至1200℃，保温炭化3.5h，冷却至室温取出；将炭化产物置于3mol/l的硫酸溶液中搅拌6h（搅拌速度为300r/min），过滤分离后滤渣用去离子水洗至中性，再放于120℃烘箱中干燥10小时，即可得到多孔炭微球。

所制备的多孔炭微球的平均粒径为1.7μm，孔径尺寸为2nm-33nm，介孔含量87%，比表面积为174.7m²/g。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

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