[發明專利]一種介孔多級結構碳微球及其制備方法

有效

• 申請號: 202010214611.1
• 申請日: 2020-03-24
• 公開（公告）號: CN111389357B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發明（設計）人: 李峰波;袁國卿;宋延林
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所
• 主分類號: B01J20/20
• 分類號: B01J20/20;B01J20/28;B01J20/30;C01B32/05
• 代理公司: 北京天達知識產權代理事務所(普通合伙) 11386
• 代理人: 叢洪杰

本發明涉及一種介孔多級結構碳微球及其制備方法，屬于新材料技術與新能源領域，解決了現有多孔碳材料無法滿足電化學儲能材料、吸附分離材料的要求；本發明的介孔多級結構碳微球的制備方法包括：步驟1、將乙炔碳黑和N?羥基鄰苯二甲酰亞胺按一定比例分散于乙腈中形成混合物，在空氣中進行預氧化處理，得到碳黑膠體；步驟2、將碳黑膠體分散于去離子水中，向其中依次加入尿素和的甲醛水溶液，攪拌、加熱至脲醛縮合溫度，形成脲醛樹脂?碳黑膠體復合微球；步驟3、將脲醛樹脂?碳黑膠體復合微球進行熱處理，得到介孔多級結構碳微球。本發明實現了介孔多級結構碳微球在電化學儲能材料，吸附分離材料，傳感器，隔熱隔音減震材料等方面的應用。

技術領域

本發明涉及新材料技術與新能源領域，尤其涉及一種介孔多級結構碳微球及其制備方法。

背景技術

人類將木炭作為多孔吸附材料的歷史可以追溯到公元前1550，活性炭一直作為多孔吸附材料廣泛應用于水處理與氣體吸附。隨著納米科技的迅速發展，各種具有全新納米尺度結構的碳材料不斷涌現，例如：碳納米纖維，碳納米管，富勒烯，碳納米錐，石墨烯，石墨烯納米帶，納米金剛石等。

由于納米尺度的新穎結構，使得獲得高性能的多孔碳材料有了全新的策略。具有新型納米結構的多孔碳材料有助于解決目前環境與能源領域所面臨的各種棘手問題，如廢水處理，重金屬及有害分子的吸附，檢測用傳感器，氫氣存儲材料，電化學儲能材料，催化劑載體等方面。

多孔碳材料應用于環境與能源領域，主要依賴于其多孔特性及吸附性能，但現有的多孔碳材料普遍存在以下幾點問題：

第一、現有多孔碳材料的孔隙尺寸分布相對較窄，主要以小于1μm的微孔為主，這限制了其使用范圍。

第二、現有多孔碳材料的孔隙結構為樹枝狀分層分布，如果中間過渡孔道堵塞會導致大量末端分散孔結構的吸附性能失效，同時由于較長的過渡孔道的存在，這使得吸附過程需要較長時間達到吸附平衡。

第三、現有多孔碳材料的制孔方法中多采用化學或物理的刻蝕插層過程，制得的多孔系統多為微孔，如果要制備介孔系統，需要采用模板法，但這類方法涉及到模板結構的去除問題，其經濟性、環保性、過程效率都偏低。

第四、現有多孔碳材料為無規則的顆粒，在使用過程中機械強度與耐磨性能相對較差，容易造成碎片剝離，造成二次污染。同時不規則顆粒形成的吸附層滲透性較差，容易引起較大的壓差直接造成傳質阻塞。采用規則的球形物理形態，可以降低與氣液相接觸的機械摩擦，同時吸附層可以保持很高的堆積密度與可滲透性。

發明內容

鑒于上述的分析，本發明實施例旨在提供一種介孔多級結構碳微球及其制備方法，用以解決現有多孔碳材料的多孔特性及吸附特性無法滿足目前環境與能源領域要求的問題。

本發明的目的主要是通過以下技術方案實現的：

一方面，本發明公開了一種介孔多級結構碳微球，介孔多級結構碳微球含有孔徑為8～10nm的介孔結構和孔徑為0.5～1.0nm的微孔結構；介孔孔容/微孔孔容比值為3.4～5.9；介孔多級結構碳微球的比表面積為1000～1450m²/g。

進一步地，以納米碳黑顆粒為基本單元，通過對其表面進行預氧化處理，預氧化產物的含氧量為0.41～3.0％，采用聚合誘導膠體凝聚法來構筑孔隙結構，得到介孔多級結構碳微球。

進一步地，采用N-羥基鄰苯二甲酰亞胺作為氧化催化劑與空氣中的氧結合形成自由基，對納米碳黑顆粒進行預氧化處理。

進一步地，介孔多級結構碳微球的制備材料包括：乙炔碳黑、N-羥基鄰苯二甲酰亞胺、尿素、甲醛水溶液；N-羥基鄰苯二甲酰亞胺用量為乙炔碳黑質量的2～9％；尿素用量為乙炔碳黑質量的2～10％；甲醛水溶液用量為乙炔碳黑質量的3～16％。