專利名稱：微波輻照無機(jī)碳化物制備多孔炭及其核殼材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多孔炭制造和微波化學(xué)領(lǐng)域，涉及一種多孔炭及其核殼材料的制備方法，特別是涉及一種由無機(jī)碳化物制備多孔炭及其核殼材料的方法。
背景技術(shù)：
常規(guī)多孔炭在水處理、制藥、食品加工及空氣凈化等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。在超級電容器與電池、氫氣與天然氣儲存、氣體分離與純化、吸波與隱形等領(lǐng)域，則需要孔結(jié)構(gòu)、振實密度、比表面積等要求更高的多孔炭。目前，針對這些應(yīng)用領(lǐng)域的高性能多孔炭，主要由石油焦、瀝青、煤、樹脂或椰殼等有機(jī)物通過強(qiáng)堿KOH等炭化活化制得，這類由有機(jī)物制備的多孔炭，其振實密度小、孔的大小形狀不均、孔徑分布范圍寬，難以滿足超級電容器與電池、氫氣與天然氣儲存、氣體分離與純化等方面的要求。
國際專利WO 02/39468與WO 2006/113424公布了以無機(jī)碳化物為主要原料，使其在高溫條件下與鹵族元素反應(yīng)，通過去除無機(jī)碳化物中的非碳原子來制備多孔炭的方法。所制備的多孔炭具有較均勻的孔結(jié)構(gòu)、較窄的孔徑分布范圍、較大的振實密度。但這種多孔炭制備方法，常采用常規(guī)的加熱方式進(jìn)行，常規(guī)加熱方法是根據(jù)熱傳導(dǎo)、對流和輻照原理從物料外部由表及里地進(jìn)行加熱，加熱速度緩慢，溫度場不均勻，須經(jīng)過長時間才能完成預(yù)熱、干燥、炭化、活化的工藝過程，炭化過程中物料的外部孔隙被燒蝕垮塌后內(nèi)部孔隙才能形成，因此，常規(guī)加熱無機(jī)碳化物制備多孔炭，其孔隙的均勻性和振實密度均有待改善；并且制備時間長、能耗高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高效節(jié)能、低成本制備孔結(jié)構(gòu)均勻、孔徑分布范圍窄、振實密度大的多孔炭及其核殼材料的方法，公布了微波輻照無機(jī)碳化物制備多孔炭及其核殼材料的方法。微波加熱是與常規(guī)加熱不同，物料的加熱是通過外場與物料相互作用完成的，在高頻電磁場作用下物料中偶極子與周圍分子摩擦發(fā)熱從而使溫度升高。微波加熱具有內(nèi)部外部同時加熱、可克服物料中的“冷中心”現(xiàn)象、加熱迅速、易自動控制等優(yōu)點。微波加熱不需要對工作介質(zhì)和加熱爐體本身進(jìn)行加熱和保溫，沒有額外熱量消耗，可最大限度地利用加熱能源，微波加熱不需要任何傳導(dǎo)過程，加熱快速、均勻，僅需傳統(tǒng)加熱方式的幾分之一甚至幾十分之一的時間就可以達(dá)到成孔的目的。另外，微波加熱還具有微波催化和等離子體凈化作用，其含氧基團(tuán)和雜質(zhì)等被徹底清除，多孔炭得以高度凈化和活化。因此，微波法制得的多孔炭，孔的大小和形狀均勻，孔徑分布范圍窄，孔隙和比表面積利用率高，并且振實密度較高、導(dǎo)電性較好、生產(chǎn)能耗較低。
本發(fā)明的具體內(nèi)容是
選取一定量的無機(jī)碳化物和添加劑，粉碎至粒度為5nm-0.5mm，加入到微波爐中進(jìn)行輻照加熱，然后通入一定量含鹵族元素的氣體，鹵族元素與無機(jī)碳化物摩爾比為0.1-20∶1，使無機(jī)碳化物與鹵族元素發(fā)生反應(yīng)，加熱溫度在100℃-1800℃，保溫0.1-30小時后取出反應(yīng)產(chǎn)物，再將反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮筇幚?，最后將后處理產(chǎn)物進(jìn)行洗滌、過濾、烘干，即可得到多孔炭及其核殼材料。
本發(fā)明得到的有益效果是(1)在微波輻照無機(jī)碳化物制備多孔炭及其核殼材料的過程中，主要是通過微波引發(fā)無機(jī)碳化物與鹵族元素的加熱反應(yīng)，制備時間短、能耗低；(2)所采用無機(jī)碳化物價格低廉、來源廣泛，易制備孔徑分布均勻、振實密度大、比表面積高的多孔炭；(3)本方法設(shè)備投資少、操作簡單、易于實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。
具體實施例方式
實施例1選取粒徑為5um的碳化鈦細(xì)粉，放入功率為2KW的微波爐中，加熱至800℃-1000℃，通入氯氣并在該溫度下保溫1小時，停止通入氯氣；再通入Ar和H2O混合氣并在該溫度下保溫1小時，然后取出反應(yīng)產(chǎn)物，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％的鹽酸溶液進(jìn)行酸洗，再用去離子水清洗，過濾、烘干即可得到振實密度0.5g/cm3、比表面積為1200m2/g的多孔炭。
實施例2選取粒徑為100um的碳化硅細(xì)粉，放入功率為3KW的微波爐中，加熱至1000℃-1200℃，通入氯氣并在該溫度下保溫0.5小時，停止通入氯氣并通入氮氣0.5小時，然后取出反應(yīng)產(chǎn)物，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15％的鹽酸溶液進(jìn)行酸洗，再用去離子水清洗，過濾、烘干即可得到振實密度0.7g/cm3、比表面積為500m2/g的多孔炭/碳化硅核殼材料。
權(quán)利要求
1.一種微波輻照無機(jī)碳化物制備多孔炭及其核殼材料的方法，其特征在于包括如下制備步驟選取一定量的無機(jī)碳化物和添加劑，粉碎至一定粒度，加入到微波爐中進(jìn)行輻照加熱，然后通入一定量含鹵族元素的氣體，使無機(jī)碳化物與鹵族元素在一定的溫度下反應(yīng)一定時間，再將反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮筇幚?，最后將后處理產(chǎn)物進(jìn)行洗滌、過濾、烘干，即可得到多孔炭及其核殼材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波輻照無機(jī)碳化物制備多孔炭及其核殼材料的方法，其特征在于所述的無機(jī)碳化物為碳化硼、碳化硅、碳化鈦、碳化鈣、碳化鋁、碳化釩、碳化鉬、碳化鋯、碳化鐵、碳化鎢、碳化鈮、碳化鉻、碳化鉭、碳化釔、碳化鋁鈦、碳化硅鈦等無機(jī)碳化物中的一種或幾種所組成的混合物；并粉碎至粒度為5nm-0.5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波輻照無機(jī)碳化物制備多孔炭及其核殼材料的方法，其特征在于所述的添加劑為硫化鐵、硫化亞鐵、氯化鐵、氯化亞鐵、氯化鈷、氯化亞鈷、氯化鎳、鐵、鈷、鎳、二氧化鈦中的一種或幾種所組成的混合物，添加劑的量為無機(jī)碳化物質(zhì)量比的0-50％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波輻照無機(jī)碳化物制備多孔炭及其核殼材料的方法，其特征在于在微波場或毫米波場中輻照加熱。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波輻照無機(jī)碳化物制備多孔炭及其核殼材料的方法，其特征在于所述的鹵族元素為氯、溴、碘中的一種或幾種所組成的混合物，氣體中鹵族元素的質(zhì)量比為0.1％至100％，氣體的其它組分可為N2、He、Ar、H2、HCl、H2O、CO2中的一種或幾種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波輻照無機(jī)碳化物制備多孔炭及其核殼材料的方法，其特征在于鹵族元素與無機(jī)碳化物的摩爾比為0.1～20∶1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波輻照無機(jī)碳化物制備多孔炭及其核殼材料的方法，其特征在于微波輻照使無機(jī)碳化物與鹵族元素溫度達(dá)到100℃～1800℃，并在該溫度下保溫0.1～30小時。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波輻照無機(jī)碳化物制備多孔炭及其核殼材料的方法，其特征在于后處理可在Ar、H2、N2、He、H2O、CO2、H2SO4、HNO3、KOH、K2CO3、KCl、NaOH中的一種或幾種所組成的混合物中進(jìn)行。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波輻照無機(jī)碳化物制備多孔炭及其核殼材料的方法，其特征在于既能制備由無機(jī)碳化物充分轉(zhuǎn)變形成的多孔炭，也能制備由無機(jī)碳化物部分轉(zhuǎn)變形成的多孔炭包覆無機(jī)碳化物的核殼材料。
全文摘要
本發(fā)明公布了微波輻照無機(jī)碳化物制備多孔炭及其核殼材料的方法。制備過程如下選取一定量的無機(jī)碳化物和添加劑，粉碎至粒度為5nm－0.5mm，加入到微波爐中進(jìn)行輻照加熱，然后通入一定量含鹵族元素的氣體，鹵族元素與無機(jī)碳化物摩爾比為0.1－20∶1，使無機(jī)碳化物與鹵族元素發(fā)生反應(yīng)，加熱溫度在100℃－1800℃，保溫0.1－30小時后取出反應(yīng)產(chǎn)物，再將反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮筇幚?，最后將后處理產(chǎn)物進(jìn)行洗滌、過濾、烘干，即可得到多孔炭及其核殼材料。微波輻照制備多孔炭及其核殼材料的方法高效節(jié)能，所得多孔炭其核殼材料的孔結(jié)構(gòu)均勻、振實密度大、比表面積高，在超級電容器與電池、氫氣與天然氣儲存、氣體分離與純化、吸波與隱形等方面有重要的應(yīng)用。
文檔編號C01B31/08GK101037199SQ200710034860
公開日2007年9月19日 申請日期2007年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月29日
發(fā)明者梁逵, 王倩, 胡軍, 楊輝, 楊樂之 申請人:湖南大學(xué)