[发明专利]基于化学活化及催化活化耦合的煤基分级多孔炭制备方法

说明书

本发明公开了一种基于化学活化及催化活化耦合的煤基分级多孔炭制备方法。所述方法以煤为原料，通过化学活化剂与煤的混合，使化学活化剂均匀分布在煤的骨架结构中，经过高温催化活化过程，化学活化剂通过刻蚀、交联、插层作用形成微孔，CO₂与煤中灰分通过催化气化过程形成中大孔，最终洗去杂质后形成高比表面积分级多孔碳。本发明充分利用了原料煤结构中原有的灰分，在化学活化过程中耦合催化气化过程，实现多孔碳材料孔隙的分级形式。由于其孔隙结构合理，可以促进多孔碳内部的传质过程，在电化学储能如双电层超级电容电极材料、气体吸附、液相吸附等领域具有应用潜力。

技术领域

本发明涉及一种多孔活性碳材料的制备方法。

背景技术

多孔活性碳材料由于具有比表面积大、质量轻、导电导热能力强和化学稳定性高等优点，广泛应用于吸附分离及电化学储能等领域。多孔活性碳材料的孔隙结构及孔隙参数中比表面积、孔容和孔径分布等直接影响着电解液离子的吸附储存。目前已发展的多孔活性碳材料包括微孔碳、有序介孔碳、分级孔碳等，其制备方法包括活化法、模板法以及自组装法等，其中活化法又分为物理催化活化和化学活化。

目前高性能多孔活性碳材料的制备过程中，原料的来源、成本以及制备工艺的复杂性仍被认为是高性能多孔活性碳材料从实验室合成走向产业化制备的关键瓶颈。研发低成本、可规模化生产的多孔活性碳材料制备方法是碳材料领域的重要发展方向。

煤炭的内部结构包含大量以芳香烃、聚芳香烃为基本单元的天然类石墨层状结构，一直以来被视为多孔活性碳材料规模化、低成本制备的重要原料。目前以煤炭为原料生产多孔活性碳材料主要是以煤化程度较高的烟煤和无烟煤为原料，通过碳化、物理活化或化学活化处理制备获得煤基活性碳材料。然而，传统多孔活性碳材料制备过程中，煤原料碳化后采用的物理活化法和化学活化法存在以下两方面问题：（1）以CO₂或水蒸气为活化介质的物理活化方法成本较低，但制备得到的多孔活性碳材料孔隙结构不发达，采用BET法表征得到的比表面积通常小于1000m²/g；（2）化学活化法是通过化学活化剂KOH、H₃PO₄、K₂CO₃或ZnCl₂与碳质前驱体的混合共碳化实现造孔，但通常只能形成微孔结构，使制备的碳材料的性能和应用受限。因此，针对上述物理、化学活化工艺制备多孔活性碳材料的问题，发展新型低成本、工艺过程简单易控、孔隙结构发达合理的高性能分级多孔碳制备方法至关重要。

发明内容

为了解决传统煤基多孔活性碳材料制备方法中，经物理活化得到的多孔活性碳材料孔隙结构不发达和化学活化制备过程中所需活化剂用量大的问题，本发明提供了一种基于化学活化及催化活化耦合的煤基分级多孔炭制备方法。该方法充分利用了原料煤结构中原有的灰分，在化学活化过程中耦合催化气化过程，实现多孔碳材料孔隙的分级形式。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于化学活化及催化活化耦合的煤基分级多孔炭制备方法，如图1所示，包括如下步骤：

一、原料细化

将原料煤依次进行破碎、研磨和筛分，得到细化煤粉。

本步骤中，所述原料煤为未经过预处理的含灰煤；所述含灰煤为褐煤、烟煤、次烟煤、无烟煤中的一种或多种按任意比例的混合物；所述细化煤粉的粒径为60~200目。

二、原料与活化剂混合

将步骤一的细化煤粉与化学活化剂通过物理方式进行混合，得到混合物。