[发明专利]微孔碳材料及其形成方法

说明书

技术领域

本公开涉及一种微孔碳材料和形成这种微孔碳材料的方法。

背景技术

储氢是用到氢气的应用经常需要的。例如，某些应用（如气体净化和分离、气体捕集、催化作用、用于燃料电池和超电容器（super capacitor）的电极，和气体存储）需要氢气被储存在适于吸附和释放氢的储氢介质中。一类储氢介质，多孔碳材料，例如活性炭、中孔碳（mesoporous carbon）、多孔碳纤维和碳化物衍生碳（carbide -derived carbon），适用于需要稳定而经济储氢的商业和工业应用。

发明内容

一种形成微孔碳材料的方法包括：结合固体形式的碳前体和固体形式的活化反应剂以形成混合物。所述方法还包括球磨所述混合物以形成一种复合物，并在球磨之后，同时活化和碳化所述复合物以形成所述微孔碳材料。

在另一个变体中，所述方法包括结合固体形式的酚醛树脂聚合物和固体形式的氢氧化钾，按照氢氧化钾与酚醛树脂聚合物的重量比为约4:1，以形成混合物。所述方法还包括球磨固体形式的所述混合物约60分钟，以便由此基本上均匀地将所述固体形式的氢氧化钾分散在所述固体形式的酚醛树脂聚合物中，以形成复合物。在球磨之后，所述方法包括在约700℃温度下同时活化和碳化所述复合物约3-6小时，以形成微孔碳材料，其中所述微孔碳材料的表面积为大于约3000-3400平方米/克。

一种微孔碳材料，其包括固体形式的碳前体和固体形式的活化反应剂的反应产物。所述微孔碳材料限定各自具有小于约2nm的宽度的许多微孔、各自具有约2-50nm的宽度的许多中孔（mesopore）和各自具有大于约50nm的宽度的许多大孔（macropore）。所述微孔碳材料中的所述许多微孔的存在量为大于或等于约90体积份，基于100体积份的所述微孔碳材料计算。另外，所述微孔碳材料的表面积为约1400-3400平方米/克。

所述微孔碳材料展现出优异的表面积和基本上均匀的微孔孔径分布。另外，所述微孔碳材料可以相对有效和经济地制备，例如通过所述方法制备。也就是说，所述方法有效和经济地使微孔碳材料的生产最大化。另外，因为所述微孔碳材料是化学和物理稳定的，所以所述微孔碳材料适用于需要容易处理的多种应用。

从以下结合附图而对实施本发明的最佳方式的详细说明，本发明的上述特性和优点及其它特性和优点将更明显。

具体地说，本发明涉及以下内容：

1. 一种形成微孔碳材料的方法，所述方法包括:

结合固体形式的碳前体和固体形式的活化反应剂，以形成混合物；

球磨所述混合物以形成复合物；和

在球磨之后，同时活化和碳化所述复合物以形成所述微孔碳材料。

2. 第1项的方法，还包括控制所述微孔碳材料的表面积为约1400-3400平方米/克。

3. 第2项的方法，还包括通过控制球磨时间来控制所述微孔碳材料的表面积。

4. 第3项的方法，其中所述球磨时间为约15-120分钟。

5. 第1项的方法，其中球磨基本上均匀地将所述固体形式的活化反应剂分散在所述固体形式的碳前体中，以形成所述复合物。

6. 第1项的方法，其中球磨将所述碳前体的平均颗粒大小降低到小于或等于约100微米。

7. 第2项的方法，还包括通过控制所述活化反应剂和所述碳前体的重量比来控制所述微孔碳材料的表面积。

8. 第1项的方法，其中结合按照活化反应剂和碳前体的重量比为约0.5:1-6:1混合所述活化反应剂和所述碳前体。

9. 第2项的方法，还包括通过控制同时活化和碳化的温度来控制所述微孔碳材料的表面积。

10. 第2项的方法，还包括通过控制同时活化和碳化的时间来控制所述微孔碳材料的表面积。

11. 第1项的方法，其中同时活化和碳化所述复合物加热所述复合物到约500-900℃的温度约0.5-8小时。

12. 第1项的方法，其中同时活化和碳化限定了所述微孔碳材料的各自具有小于约2nm宽度的许多微孔、各自具有约2-50nm宽度的许多中孔和各自具有大于约50nm宽度的许多大孔，使得所述微孔碳材料中的所述许多微孔的存在量为大于或等于约90体积份，基于100体积份的所述微孔碳材料计算。

13. 第1项的方法，还包括在结合以前制备所述固体形式的碳前体，其中制备定义为使苯酚和甲醛在水溶液中在催化剂存在下反应以形成酚醛树脂低聚物，并洗涤和干燥所述酚醛树脂低聚物以形成酚醛树脂聚合物。

14. 第1项的方法，所述固体形式的活化反应剂选自氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸钠及其组合。