一种高比表面积木质素介孔碳材料及其制备和应用制造技术

本发明专利技术属于多孔碳材料技术领域，公开一种高比表面积木质素介孔碳材料及制备和应用。本发明专利技术使用尿素

【技术实现步骤摘要】
一种高比表面积木质素介孔碳材料及其制备和应用


[0001]本专利技术属于多孔碳材料
，特别涉及一种高比表面积木质素介孔碳材料及制备和应用。

技术介绍

[0002]多孔碳材料具有孔道结构可调控、高导电率和物化性质稳定等特性，在污染物吸附、催化剂载体、超级电容器和碱金属离子电池等领域展现良好的应用潜力。多孔碳材料的孔径分布(微孔、介孔和大孔)是影响其应用性能的关键，其中，微孔作为活性位点，能够提供丰富的活性比表面，介孔作为传质通道，能够加速反应动力学。因此，高比表面积的介孔碳材料受到了广泛关注。
[0003]木质素作为木质纤维素三大组分之一，具有储量丰富可再生、高芳香度、碳含量高达60％等优势，是制备高比表面积多孔碳材料的理想前驱体。制备高比表面积木质素多孔碳材料需要使用大量强腐蚀活化剂(KOH、ZnCl2和H3PO4等)，如Klose等(ACS Sustainable Chem.Eng.2017,5,4094
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4102)利用KOH活化软木木质素，制备了比表面积为1886m2/g、孔径以微孔为主的多孔碳材料；Guo等(Green Chem.2017,19,2595
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2602)利用KOH活化酶解木质素的水热炭产物，制备了比表面积为1660m2/g的微孔碳材料，其收率为12％。上述方法使用了大量的活化剂(活化剂与木质素的比例超过3)，导致收率极低，且所得碳材料结构中含有大量的微孔，介孔少，限制了应用性能。此外，活化剂对碳骨架的强烈刻蚀造成碳结构严重坍塌，导致所得多孔碳材料比表面积提升有限。
[0004]近年来，为了提高木质素碳材料的收率，研究人员采用弱腐蚀试剂活化或直接碳化木质素制备了多孔碳材料。申请号为CN201811375772.8的中国专利通过在乙醇水溶剂中进行层层自组装得到了水溶性木质素磺酸盐/草酸盐复合物，借助草酸盐热解活化木质素，制备了多孔碳纳米片，然而由于较弱的组装作用力，草酸盐活化效果不佳，制备的木质素多孔碳纳米片比表面积仅为1069m2/g，导致较差的比电容性能；Fu等(Chem.Eng.J.2020,392,12372)通过向含有锌离子和草酸根离子的木质素磺酸钠溶液中滴加乙醇，利用疏水自组装制备了木质素磺酸钠/草酸锌复合物，并高温碳化制备了木质素碳纳米片，然而较厚且严重堆积的片层结构导致其比表面积低于1500m2/g；Liu等(Carbon2019,149,105
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116)通过直接碳化牛皮纸木质素制备了多孔碳材料，由于没有额外添加活化剂，制备的多孔碳材料比表面积为1307m2/g且孔道多为微孔，介孔率低于50％，限制其电容性能。因此，高收率高比表面积木质素介孔碳材料制备技术仍是一大挑战。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种高比表面积木质素介孔碳材料的制备方法。
[0006]本专利技术方法是利用金属草酸盐的气相剥离活化
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原位模板作用制备高比表面积的木质素介孔碳材料。首先基于木质素与金属草酸盐间的氢键作用，采用蒸发诱导自组装技
术制备木质素和金属草酸盐的复合物，然后对木质素进行缩聚改性，提高复合物的结构稳定性和热稳定性；在碳化过程中，利用金属草酸盐热分解释放的二氧化碳和一氧化碳活化剥离木质素骨架，产生丰富微孔结构，同时金属草酸盐原位生成的金属氧化物模板具有空间占位作用，可产生丰富介孔，从而获得高比表面积的木质素介孔碳材料。整个制备过程不使用强腐蚀试剂，通过木质素的缩聚改性，提高了热稳定性，进一步提高了木质素介孔碳材料的收率。
[0007]本专利技术另一目的在于提供上述方法制备的高比表面积木质素介孔碳材料。
[0008]本专利技术的木质素介孔碳材料具有充足的微孔和丰富的介孔，比表面积不低于2500m2/g，介孔率不低于60％，收率不低于40％。
[0009]本专利技术再一目的在于提供上述高比表面积木质素介孔碳材料在超级电容器电极材料领域和抗生素吸附领域的应用。
[0010]本专利技术的目的通过下述方案实现：
[0011]一种高比表面积木质素介孔碳材料制备方法，包括以下步骤：
[0012](1)将木质素溶解在尿素
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乙醇
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水的混合溶剂中，得到木质素溶液；
[0013](2)在步骤(1)的木质素溶液中加入金属草酸盐，进行水热反应，蒸发浓缩，加入乙二醇二缩水甘油醚继续反应，干燥得到木质素/金属草酸盐复合物固体粉末；
[0014](3)对步骤(2)得到的复合物固体粉末进行碳化，得到木质素碳/金属氧化物复合物；
[0015](4)将步骤(3)得到的复合物浸泡在酸溶液中，过滤，干燥后获得木质素介孔碳材料。
[0016]步骤(1)所述的木质素包括麦草碱木质素、竹浆碱木质素、芦苇碱木质素、木浆碱木质素、棉浆碱木质素和蔗渣碱木质素中的至少一种。
[0017]步骤(1)所述尿素
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乙醇
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水混合溶剂中尿素、乙醇和水的质量比为1:(100～300):100。
[0018]步骤(1)所述木质素溶液中木质素的质量浓度为5～10％。
[0019]步骤(2)所述金属草酸盐为草酸锌、草酸钙、草酸镁中的至少一种。
[0020]步骤(2)所述木质素：金属草酸盐：乙二醇二缩水甘油醚的质量比为：100：50～200：5～20。
[0021]步骤(2)所述水热反应前将混合溶液在常温下进行搅拌，搅拌时间为20～90min，优选30min。
[0022]步骤(2)所述水热反应的温度为120～150℃，反应时间为2～4小时。
[0023]步骤(2)所述蒸发浓缩的温度为80～100℃。
[0024]步骤(2)所述蒸发浓缩液为将木质素/金属草酸盐复合溶液质量浓度浓缩至20～40％。
[0025]步骤(2)所述继续反应的温度为80～100℃，时间为2～4小时。
[0026]步骤(3)所述碳化的程序为：以5～10℃/min升温至200～400℃，保持0.5～1h；再以5～10℃/min升温至700～900℃，保持1～3h，自然冷却至室温。
[0027]步骤(3)所述碳化的程序优选为：5～10℃/min升温至300℃，保持30min；再以10℃/min升温至800℃，保持2h，自然冷却至室温。
[0028]步骤(3)所述碳化过程在惰性气体氛围下进行，优选氮气、氩气中的一种。
[0029]步骤(4)所述酸溶液为浓度0.5～2mol/L的硝酸、硫酸或者盐酸溶液，浸泡时间为6～12h。
[0030]步骤(4)所述过滤后用水洗涤所得固体。
[0031]步骤(2)和步骤(4)所述干燥均包括鼓风干燥、真空干燥、红外干燥、冷冻干燥中的一种；干燥温度均为90～120℃，优选为100℃，干燥时间均为6～12h。
[0032]一种由上述方法制备得到的高比表面积木质素介孔碳材料。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高比表面积木质素介孔碳材料制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将木质素溶解在尿素
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乙醇
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水的混合溶剂中，得到木质素溶液；(2)在步骤(1)的木质素溶液中加入金属草酸盐，进行水热反应，蒸发浓缩，加入乙二醇二缩水甘油醚继续反应，干燥得到木质素/金属草酸盐复合物固体粉末；(3)对步骤(2)得到的复合物固体粉末进行碳化，得到木质素碳/金属氧化物复合物；(4)将步骤(3)得到的复合物浸泡在酸溶液中，过滤，干燥后获得木质素介孔碳材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述的木质素包括麦草碱木质素、竹浆碱木质素、芦苇碱木质素、木浆碱木质素、棉浆碱木质素和蔗渣碱木质素中的至少一种；步骤(1)所述木质素溶液中木质素的质量浓度为5～10％。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述尿素
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乙醇
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水混合溶剂中尿素、乙醇和水的质量比为1:(100～300):100。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述金属草酸盐为草酸锌、草酸钙、草酸镁中的至少一...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨东杰，符方宝，邱学青，易聪华，刘伟峰，楼宏铭，黄锦浩，庞煜霞，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：