中孔炭的制备以及应用

08级无机一班 xxxxxxxxxxxx

一、制备方法

（一）、催化活化法

1、概述

催化活化法是在炭材料中添加金属化合物组分，以增加炭材料微孔内部表面活性点，活化时，金属原予对结晶性较高的炭原子起选择性气化作用，从而使微孔扩充为中孔。金属粒子周围均使炭原予发生气化反应的活性点，金属粒子周围的炭原子优先发生氧化作用，在炭材料中形成中孔，此外，气化产物向材料表面逃逸时形成的孔道也作为孔隙表面逃逸时形成的孔道也作为孔隙残留在最终的炭材料中。催化活化法是使炭材料获得中孔的有效途径之一。它可以采用炭材料在金属无机盐溶液中浸渍后干燥除去溶剂，再经高温烘干或二次活化改变金属存在形态

催化活化法制备的中孔活性炭中不可避免地会残留部分金属元素，这种活性炭用于液相吸附时，金属元素就可能以离子的形式进入溶液，尽管其含量很低，但在某些情况下却是非常有害。

2、实例

镍催化活化制备中孔炭材料

取适量4~60目的杉木屑为原料，首先在450℃下炭化3h制备炭化料，再将此炭化料作为原料进行下一步的实验。将炭化料用6 mol/L的硝酸于40℃下进行氧化预处理2h后，减压抽滤并水洗至中性，置于

110℃烘箱中烘干至恒重。准确称取两份7.Og的干燥炭化料分别置于lOOmLl内衬聚四氟乙烯的水热反应釜中，各加入70 mL 8％Ni(CH3COO)2溶液后密闭，将其置于175士2℃下浸渍2h。待冷却至室温后，开启水热反应釜，过滤去除过量的浸渍溶液，再放入105℃的烘箱中烘干至恒重。将上述负载有Ni(CH3coo)2炭化料置于升温炭化炉中，在氮气气氛下，以lO℃／min的升温速度升温至900℃并保温2 h，自然冷却至室温后取出，用热盐酸及超纯水洗至滤液pH值为6~7，烘干后即得中孔炭样品。

（二）模板炭化法

1、概述

模板法是选用一种分子、超分子或具有特殊孔隙结构的材料作为模板，通过浸渍或者化学气相沉积的方法将模板与碳源混合得到模板／碳源复合物(内模板法是将模板注入到碳源内部，而外模板法则是将碳前驱体注入模板孔隙中)，得到的混合物炭化并移除模板后即得到中孔炭产品。该方法一般由模板物质和碳前驱体形成复合物、复合物炭化和脱除模板三个步骤组成。模板法可以从纳米尺度上设计并控制目标材料前驱体的结构，并通过炭化过程使这种微观结构得以保存，从而有效的控制中孔炭材料的孔结构，保证其孔径集中和孔排列的有序性。按模板的作用机制不同，模板法可以分为内模板法和外模板法。

内模板法是指模板的分子或超分子单元加入到碳自前驱体中形成模板／碳前驱体混合物，炭化并移除模板后，原固体中便出现了孔隙结构，此类模板即称之为“内模板”。此外，如果以带有孔隙结构

的材料为模扳，则首先将碳前驱体注入到模板的孔道内，炭化后移除模板，一种反复制模板结构的多孔固体物质就得以保存下来，这种模板被称为“外模板”。

2、实例

以正硅酸乙酯为模板硅源，酚醛树脂为炭前驱体，运用模板法通过正硅酸乙酯的溶胶——凝胶反应制备了中孔炭材料。

用移液管量取25ml的60％(质量浓度)酚醛树脂的乙醇溶液，加入至l00ml烧杯中。按照实验比例量取一定量的正硅酸乙酯(TEOS)溶液，然后按照TEOS：H20：EtOH=1：0.33：1(体积比)量取去离子水和无水乙醇，混合，在40℃下用恒温磁力搅拌器搅拌，用盐酸或氨水调节溶液pH值，发生正硅酸乙酯水解缩和反应，搅拌0.5小时后，将此溶液加入到盛有酚醛树脂溶液的烧杯中，在40℃下搅拌此有机——无机混合溶液0.5-12小时，得到有机——无机凝胶混合物；把此凝胶混合物在空气中自然干燥一周，80℃真空干燥，在一定温度下炭化1小时，得到炭／模板(Si02)的复合物；将炭／模板的复合物在浓氢氟酸中搅拌处理24小时，清洗后再用蒸馏水浸泡24小时，以去除复合物中的模板(Si02)。处理完毕后在空气中干燥，即得到所需的多孔炭。

二、材料用途

（一）、吸附

（1）、空气的净化和脱臭、溶剂的回收、呼吸防护器材和香烟过滤嘴等。将中孔炭过滤器装在宾馆、商店、剧院、人防工程等建筑物的通风系统中，可净化室内的体臭、烟臭、厕所臭及其他有害气体。

（2）、气体的分离和回收，例如从城市煤气、焦炉煤气中回收苯及汽油和轻质烃的分离回收。

（3）、在工业气体的精制上的应用，如工业用原料气体的脱硫，清凉饮料用的二氧化碳气体的精制以及工业用空气的精制等都需要使用中孔炭，分离回收天然气中的汽油、丙烷、丁烷等。

（4）、用于空气污染，例如工厂有害气体和臭味的除去，排烟脱硫以及原子能工业上的放射性物质的防除等。

（5）、食品工业，在制酒和制糖方面，以供脱色和精制之用，还可以用于食用油的脱色。

（6）、在化学工业和医药工业上，如橡胶工业、石油化学工业、高分子化学工业、燃料和颜料工业和药品的精制等方面。

（7）、城市用水、工业用水和工业废水等方面的净化和处理。

（二）、作为催化剂和催化剂载体

中孔炭中有无定形碳和石墨碳，因而具有不饱和键，所以具有类似于结晶缺陷的表现。在很多情况下，中孔炭是理想的催化剂，特别是氧化还原反应中更是如此。中孔炭在烟道气脱硫、硫化氛的氧化、光气的合成、氯化硫酞的合成、酯的水解；电池中氧的去极化作用，臭氧的分解等方面都有着广泛的应用。同时中孔炭也是理想的催化剂载体，因为它具有可扩展的内表面积，其比表面积可达1500m2／g，甚至更高的超级中孔炭的比表面积可达多3000m2／g。此外由中孔炭的电子系、微小石墨结构或不对称电子结构和其它成分形成络合物，对一些由各成分单独存在时完全不能进行或活性极小的一些反应，由

于络合物的存在把两者结合起来，会使中孔炭的活性明显地增加很多。

（三）、其他方面的应用

(1)、治疗胃肠道疾病，用于吸附有毒物质、血液过滤、血液渗析，如人工肾中净化毒素。

(2)、金属的精选，如利用其和氢氧化铝和氢氧化铁混合物共同沉淀可以从海水中分离铀。

(3)、香烟和烟斗的过滤器。

（4)、高真空技术中用来吸附痕量残余气体。 (5)、温度控制用来制吸附恒温器和获得超低温。 (6)、燃料电池用做燃料电池的电极材料。