[发明专利]一种富含介孔或介孔和大孔的木质素基碳材料制备方法

说明书

本发明公开了富含介孔或介孔和大孔的木质素基碳材料制备方法，富含介孔的木质素基碳材料制备方法，以木质素为成碳原料，以氯化钙为介孔模板剂；富含介孔和大孔的木质素基碳材料制备方法，以木质素为成碳原料，以氯化钙为介孔模板剂，硅球为大孔模板剂；工艺步骤：(1)将木质素溶于水中配制成木质素溶液，然后加入氯化钙，或氯化钙和硅球形成木质素和氯化钙的混合溶液，或木质素、氯化钙和硅球的混合浆料，再经干燥形成固态坯料；(2)将固态坯料在氮气气氛下煅烧得到含氯化钙的碳材料，或含氯化钙和硅球的碳材料；(3)经清洗除去氯化钙得到富含介孔的木质素基碳材料，或除去氯化钙和硅球得到富含介孔和大孔的木质素基碳材料。

技术领域

本发明属于生物质资源利用技术领域，涉及一种以木质素为原料、采用模板法制备富含介孔或介孔和大孔的可再生碳材料的方法。

背景技术

生物质资源的利用受到越来越多的关注，其中，生物质资源制备碳材料具有很好的前景。相较于其它生物质，木质素广泛存在于造纸黑液、发酵残余物等可再生资源中，其含碳量高、产生量大，非常适合作为制备碳材料的原料。

对于木质素原料，一般采用模板法制备木质素基碳材料，使用的模板剂包括分子筛、聚醚、硅球等；同时，采用KOH、CO₂等作为活化剂处理碳材料，以提高碳材料的比表面积和孔体积。然而，上述方法存在诸多的问题：1)分子筛自身具备孔道结构，可以作为介孔和大孔模板剂，但分子筛合成过程较为复杂，成本较高，在制备碳材料的去除模板剂步骤中被溶蚀，无法循环利用；同时，介孔孔道尺寸的调控依赖于重新合成新的分子筛，难以实现及时、有效的孔道调控。2)聚醚是介孔模板剂，可以得到较为规则介孔，但其价格较高，同时在制备碳材料过程中分解，同样无法回收利用；与分子筛一样，介孔孔道尺寸的调控依赖于选择不同种类的聚醚，难以实现及时、有效的孔道调控。3)硅球主要是大孔模板剂，虽然在热解过程中碳材料自身会得到部分介孔，但介孔含量较少，且难以调控介孔孔道尺寸。4)活化剂处理碳材料主要是利用刻蚀碳造孔，将损失大量的碳材料，导致质量收率低；同时，碳材料的介孔尺寸难以得到有效控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种富含介孔或介孔和大孔的木质素基碳材料制备方法，以提高碳材料的含孔量，便于调控介孔、大孔的尺寸，并降低成本。

本发明的技术构思：以木质素为成碳原料，采用高温下稳定性好的氯化钙为介孔模板剂，硅球为大孔模板剂，利用高度分散的氯化钙高温结晶过程形成介孔，硅球形成大孔，同时通过水洗回收水溶性氯化钙重复使用。

按照上述技术构思，本发明所述方法有以下两种技术方案，即富含介孔的木质素基碳材料制备方法，以及富含介孔和大孔的木质素基碳材料制备方法，它们属于一个总的发明构思。

1、富含介孔的木质素基碳材料制备方法，以木质素为成碳原料，以氯化钙为介孔模板剂，工艺步骤如下：

(1)将木质素溶于水中配制成木质素溶液，然后在搅拌下将氯化钙加入木质素溶液中，当氯化钙完全溶解并混合均匀后形成木质素和氯化钙的混合溶液，将所述混合溶液在50～80℃真空干燥至少24h，再于常压、100～120℃干燥至少24h形成固态坯料；所述混合溶液中木质素与氯化钙的质量比为1：(0.5～1.5)；

(2)将步骤(1)得到的固态坯料在氮气气氛下于700～900℃下煅烧2～6h，煅烧结束后冷却至室温得到含氯化钙的碳材料；

(3)将步骤(2)得到的含氯化钙的碳材料用水浸泡洗涤除去氯化钙，再用稀盐酸洗涤除去不溶盐，然后将洗涤净化后的碳材料在常压下于100～120℃干燥至少24h得到富含介孔的木质素基碳材料。

2、富含介孔和大孔的木质素基碳材料制备方法，以木质素为成碳原料，以氯化钙为介孔模板剂，硅球为大孔模板剂，工艺步骤如下：