一种多孔碳微球的制备方法与流程

本发明属于多孔碳材料领域，具体涉及一种多孔碳微球的制备方法。

背景技术：

近年来多孔碳材料成为一种新型的快速发展起来的新型材料体系，在各个领域中的应用得到了广泛地关注，特别是在能源相关领域的应用。多孔材料因为结构上具有较高的孔隙率而具有一些相应的优异性能。众多的多孔材料中，多孔碳材料由于具有成本低、质量轻、无毒害、表面化学惰性、耐高温耐酸碱、高机械稳定性、良好的导电性、吸附性以及大的比表面积和孔体积等特点，在co2吸附、储氢、催化以及燃料电池与电化学双电层电容器等领域显示出巨大的应用潜力而备受各界关注。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种多孔碳微球的制备方法，该方法原料来源广，价格低廉，工艺简单，能耗低且环境友好，碳微球产率高，产业化前景好。

本发明中，树脂与水不相溶，在树脂体积大于水的体积时，通过高速搅拌下可形成树脂包水乳液，整个乳液与连续相硅油不相溶，且硅油粘度较大，具有自乳化作用，因此当乳液加入连续相，搅拌可形成许多乳液微滴，待乳液微滴中的树脂固化将水包覆其中，即可形成树脂包水微胶囊。

本发明提供了一种新型多孔碳微球的制备方法，该方法是将树脂与固化剂混合成一体，然后加入去离子水，高速搅拌形成乳液，再将乳液滴加入到到硅油中，高速搅拌形成树脂包水的微滴，加热使树脂固化从而形成树脂包水微胶囊，再对其进行高温热解炭化，最终制得多孔碳微球。

上述的多孔碳微球的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）将树脂与固化剂混合组成均一相；

（2）将去离子水加入到树脂均一相中，高速搅拌成乳液；

（3）将乳液滴加到与硅油中，高速搅拌形成复相乳液；

（4）加热复相乳液使树脂固化，制备树脂包水微胶囊；

（5）将过滤、洗涤、干燥后的树脂包水微胶囊置于惰性气体保护下，进行高温热解炭化，最终得到多孔碳微球。

进一步地，所述树脂为环氧树脂，酚醛树脂中的一种。

进一步地，所述固化剂为乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、对甲苯磺酸中的一种。

进一步地，所述步骤（1）中，树脂与固化剂的质量比为100：7-100：13。

进一步地，所述步骤（2）中，树脂与去离子水的质量比为100:50-100:70。

进一步地，所述硅油为甲基硅油，粘度为100ps-2000ps，树脂与硅油的质量比为1:3-1:6。

进一步地，所述搅拌速度为10000-30000r/min。

进一步地，所述步骤（4）中，加热温度为60-150℃，升温速率为1-5℃/min，保温时间为1-24h。

进一步地，所述步骤（5）中，干燥温度为40-80℃，时间为1-8h。

进一步地，所述步骤（5）中，惰性气体为氩气。

进一步地，所述步骤（5）中，高温热解炭化的工艺条件为：在80-90℃，保温20-40min，然后升温到350-450℃，保温50-90min，再升温到600-1000℃，保温60-180min，升温速率为1-5℃/min。

本发明的有益效果：

本发明提供的新型多孔碳微球的制备方法，其工艺步骤简单，原料成本低，无污染，碳微球收率高，能耗低，对制备的环境条件和所用设备要求低，可简单快速高效的实现多孔碳微球的制备，为多孔碳材料的制备提供了一种新途径。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的碳微球的sem图。

图2为本发明实施例1制备的碳微球的孔径分布图。

图3为本发明实施例2制备的碳微球的孔径分布图。

图4为本发明实施例3制备的碳微球的孔径分布图。

图5为本发明实施例4制备的碳微球的孔径分布图。

图6为本发明实施例5制备的碳微球的孔径分布图。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1

一种新型多孔碳微球的制备方法，其主要包括以下步骤：

（1）将环氧树脂与固化剂乙二胺混合组成均一相；所述环氧树脂与固化剂的质量比为100：7。

（2）将去离子水加入到环氧树脂均一相中，高速搅拌成乳液；所述环氧树脂与去离子水的质量比为100:50。

（3）将乳液滴加到与硅油中，高速搅拌形成复相乳液；所述环氧树脂与硅油的质量比为1:3；所述搅拌速度为10000r/min。

（4）加热使树脂固化，加热温度为60℃，升温速率为5℃/min，保温时间为24h；制备环氧树脂包水微胶囊；

（5）将过滤，洗涤，干燥（干燥温度为40℃，时间为8h）后的环氧树脂包水微胶囊置于氩气保护下，进行高温热解炭化，80℃保温30min，400℃保温60min，800℃保温120min，升温速率5℃/min。

图1为本实施例中制备的碳微球的sem图。

从图1a中可以看出碳微球呈球形，其粒径分布在1-100μm之间，其表面分布着许多大小不一的孔洞，其中许多粒径较小的碳微球吸附在较大粒径碳微球的大孔洞中；图1b中可以看出碳微球在自然条件下容易团聚，说明其具有较高的表面能，容易吸附在一起；图1c为图1b的局部放大图，可以看出存在大量的微孔。

图2为本实施例中制备的碳微球的孔径分布图。从图2中可以看出其孔分布为2nm的微孔，10-50nm的介孔和50-100nm的大孔，其比表面积为80.83m²/g。

实施例2

一种新型多孔碳微球的制备方法，其主要包括以下步骤：

（1）将酚醛树脂与固化剂对甲苯磺酸混合组成均一相；所述酚醛树脂与固化剂的质量比为100：10。

（2）将去离子水加入到酚醛树脂均一相中，高速搅拌成乳液；所述酚醛树脂与去离子水的质量比为100:60。

（3）将乳液滴加到与硅油中，高速搅拌形成复相乳液；所述酚醛树脂与硅油的质量比为1:4；所述搅拌速度为10000r/min。

（4）加热使树脂固化，加热温度为120℃，升温速率为3℃/min，保温时间为1h，制备酚醛树脂包水微胶囊；

（5）将过滤，洗涤，干燥（干燥温度为50℃，时间为6h）后的酚醛树脂包水微胶囊置于氩气保护下，进行高温热解炭化，90℃保温40min，450℃保温50min，900℃保温90min，升温速率5℃/min。

图3为本实施例中制备的碳微球的孔径分布图。从图3中可以看出其孔分布主要为1nm的微孔，另外存在少量的20-50nm的介孔和50-100nm的大孔，其比表面积为277.3m²/g。

实施例3

一种新型多孔碳微球的制备方法，其主要包括以下步骤：

（1）将酚醛树脂与固化剂对甲苯磺酸混合组成均一相；所述酚醛树脂与固化剂的质量比为100：11。

（2）将去离子水加入到酚醛树脂均一相中，高速搅拌成乳液；所述酚醛树脂与去离子水的质量比为100:55。

（3）将乳液滴加到与硅油中，高速搅拌形成复相乳液；所述酚醛树脂与硅油的质量比为1:5；所述搅拌速度为15000r/min。

（4）加热使树脂固化，加热温度为150℃，升温速率为4℃/min，保温时间为1h；制备酚醛树脂包水微胶囊；

（5）将过滤，洗涤，干燥（干燥温度为70℃，时间为4h）后的酚醛树脂包水微胶囊置于氩气保护下，进行高温热解炭化，85℃保温30min，300℃保温80min，750℃保温120min，升温速率5℃/min。

图4为本实施例中制备的碳微球的孔径分布图。从图4中可以看出其孔分布为1-2nm的微孔，且主要为1nm的微孔，5-50nm的介孔和50-100nm的大孔，其比表面积为124.97m²/g。

实施例4

一种新型多孔碳微球的制备方法，其主要包括以下步骤：

（1）将酚醛树脂与固化剂对甲苯磺酸混合组成均一相；所述酚醛树脂与固化剂的质量比为100：9。

（2）将去离子水加入到酚醛树脂均一相中，高速搅拌成乳液；所述酚醛树脂与去离子水的质量比为100:65。

（3）将乳液滴加到与硅油中，高速搅拌形成复相乳液；所述酚醛树脂与硅油的质量比为1:4.5；所述搅拌速度为20000r/min。

（4）加热使树脂固化，加热温度为140℃，升温速率为3℃/min，保温时间为2.5h；制备酚醛树脂包水微胶囊；

（5）将过滤，洗涤，干燥（干燥温度为60℃，时间为8h）后的酚醛树脂包水微胶囊置于氩气保护下，进行高温热解炭化，80℃保温20min，450℃保温70min，800℃保温100min，升温速率3℃/min。

图5为本实施例中制备的碳微球的孔径分布图。从图5中可以看出其孔分布为1-2nm的微孔，且主要为1.5nm的微孔，少量15-50nm的介孔和50-100nm的大孔，其比表面积为244.08m²/g。

实施例5

一种新型多孔碳微球的制备方法，其主要包括以下步骤：

（1）将环氧树脂与固化剂二乙烯三胺混合组成均一相；所述环氧树脂与固化剂的质量比为100：8。

（2）将去离子水加入到环氧树脂均一相中，高速搅拌成乳液；所述环氧树脂与去离子水的质量比为100:55。

（3）将乳液滴加到与硅油中，高速搅拌形成复相乳液；所述环氧树脂与硅油的质量比为1:5；所述搅拌速度为30000r/min。

（4）加热使树脂固化，加热温度为60℃，升温速率为3℃/min，保温时间为18h；制备环氧树脂包水微胶囊；

（5）将过滤，洗涤，干燥（干燥温度为50℃，时间为6h）后的环氧树脂包水微胶囊置于氩气保护下，进行高温热解炭化，80℃保温30min，350℃保温80min，800℃保温120min，升温速率1℃/min。

图6为本实施例中制备的碳微球的孔径分布图。从图6中可以看出其孔分布为1-2nm的微孔，且主要为2nm的微孔，且存在大量的5-50nm的介孔和50-100nm的大孔，其比表面积为69.97m²/g。

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