[发明专利]一种基于羧基化锚定作用的富极微孔炭材料制备方法

说明书

本发明提供了一种基于羧基化锚定作用的富极微孔炭材料制备方法，包括以下步骤：(1)对废弃生物质进行预处理，洗净、干燥、粉碎。(2)将生物质颗粒浸渍于小分子有机羧酸溶液中，然后在鼓风干燥箱中干燥，干燥后的物料在100‑200℃的条件下反应1‑12h，再将材料水洗至中性，干燥后得到羧基化材料。(3)在温度为50‑150℃的条件下，将羧基化材料浸渍于0.1‑2mol/L碱金属氢氧化物溶液中进行离子交换1‑24h，通过羧基的锚定作用使金属离子均匀分布在材料表面，然后水洗去除过量的碱至中性并干燥。(4)最后将得到的材料置于管式炉中在N₂氛围下进行高温炭化，水洗干燥后得到最终产品富极微孔炭材料。

技术领域

本发明涉及活性炭制造领域，尤其涉及一种基于羧基化锚定作用的富极微孔炭材料制备方法。

背景技术

多孔炭材料是有不同尺寸孔结构的炭素材料，其具有高度发达的比表面积和孔隙结构，作为一种新材料，其具有优异的物理化学性质，如导电、导热、耐高温，耐腐蚀，使其在催化、锂电池电极材料、吸附、储氨、储氢、电容器等领域展示出优异的应用前景。

多孔炭吸附技术极具开发和应用潜力，多孔炭材料的合理设计对其吸附性能至关重要。活性炭是一种有效的吸附剂，可用于吸附去除水体和空气中的污染物。活性炭的市场需求量一直很大，而制备活性炭的原材料主要来源于非可再生的石油和煤炭等，因此，活性炭的市场需求和生产原料之间的矛盾十分突出。由于生物质来源广泛、数量丰富、廉价可再生且环境友好，采用生物质作为原材料制备炭吸附材料具有非常重要的意义。根据IUPAC对于孔的分类标准，微孔分为超微孔(0.7-2nm)和极微孔(0.7nm)，然而，制备出富含孔径小于0.7nm极微孔的炭材料是一项重要挑战。虽然现有研究表明，在厌氧的条件下，采用高温裂解各种农业、林业废弃生物质可以制备出活性炭，但是，直接高温裂解所制备活性炭的孔隙结构不发达，孔径结构不均一，用于环境污染控制时所表现的吸附去除能力有待于进一步提升。为制备孔隙结构丰富，尤其是狭窄的微孔结构的活性炭，多采用废弃生物质与化学试剂如强碱、强酸以及金属盐等进行物理浸渍与高温活化相结合的方法。然而，这种活性炭制备方法需要与炭前驱体3-4倍的化学活化试剂物理混合并在高温煅烧的条件下才能制备出优异的孔隙结构，导致活性炭制备过程消耗大量的化学试剂，造成环境污染；大量的强酸、强碱以及碱金属盐在高温的条件下，不仅对仪器设备造成腐蚀，且极易造成极微孔的坍塌进而形成介孔甚至大孔结构，不利于小分子污染物的吸附去除，并且更重要的是，采用物理浸渍耦合高温裂解的方式不能够对所生成活性炭的孔隙结构有序地进行调整，导致所制备活性炭的孔隙结构呈现孔径大小不规则和无序的特点。

中国专利(CN109305681A)公开了一种危废活性炭及生物质材料制造活性炭的工艺，同时将危废活性炭和生物质材料伍配进入活化炉活化，危废活性炭恢复原有的活性炭理化性能，生物质材料无需炭化，直接一步到位，制成了各种性能的活性炭。

本发明提出一种利用羧基化作用，在材料表面引入羧酸基团，利用碱和羧基团离子交换作用将碱金属引入到材料的表面，并通过羧基的锚定作用将碱金属离子固定在特定的位置的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于羧基化锚定作用的富极微孔炭材料制备方法，本发明提供的方法能制备出孔径分布均匀、孔结构有序的富极微孔炭材料。

本申请基于羧基化锚定作用的富极微孔炭材料制备方法包括以下步骤：

(1)对废弃生物质进行预处理：洗净、干燥、粉碎，制成生物质颗粒；

(2)将生物质颗粒浸渍于小分子有机羧酸溶液中，然后在鼓风干燥箱中干燥，干燥后的物料在100-200℃的条件下反应1-12h，再将材料水洗至中性，干燥后得到羧基化材料。以各种环境友好的小分子有机弱酸对活性炭的原材料或者活性炭粗产品进行羧基化，通过羧基化作用，在材料表面引入规则有序的羧基团。