本發(fā)明涉及一種多孔炭材料，具體涉及基于生物炭為原料的孔可控的多孔炭及其制備方法，屬于生物質(zhì)多孔炭材料。

背景技術(shù)：

1、多孔炭材料是一種具有特殊結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的碳材料，其具有高比表面積、高孔容和可調(diào)控的孔徑結(jié)構(gòu)等優(yōu)良特性。同時(shí)，其獨(dú)特的微孔（<2nm）、介孔（2-50nm）和大孔（>50nm）協(xié)同體系賦予了材料差異化的應(yīng)用潛力，這些優(yōu)良特性和差異化能力使得多孔炭材料在各個(gè)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景，如電化學(xué)儲(chǔ)能、催化、吸附分離、生物醫(yī)藥等。

2、在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域，微孔結(jié)構(gòu)的高比表面積（可達(dá)3000?m2/g）為電荷存儲(chǔ)提供了豐富的活性位點(diǎn)，其雙電層電容效應(yīng)在超級(jí)電容器中展現(xiàn)出優(yōu)異的功率密度。而當(dāng)孔徑擴(kuò)展至介孔尺度時(shí)，其三維連通的孔隙通路顯著提升了離子傳輸動(dòng)力學(xué)。例如在鋰電池中，更多的的微孔可以提供更多的儲(chǔ)鋰活性位點(diǎn)，增加儲(chǔ)鋰容量；此外，可以提高鋰離子在軟碳中的擴(kuò)散系數(shù)，并增加具有快速動(dòng)力學(xué)特性的吸附反應(yīng)容量貢獻(xiàn)，從而達(dá)到較高的可逆容量和倍率性能，同時(shí)可以避免電極的鈍化現(xiàn)象；中孔的存在有利于縮短離子的擴(kuò)散路徑，促進(jìn)倍率充放性能，為電解質(zhì)離子的傳輸提供了快速通道，改善電解質(zhì)滲透。簡(jiǎn)而言之，微孔提供電容，中孔大孔提高電流。

3、催化領(lǐng)域的應(yīng)用則充分體現(xiàn)了孔隙結(jié)構(gòu)的空間限域效應(yīng)。在介孔碳中負(fù)載鉑基催化劑時(shí)，其規(guī)整的3-8nm孔道不僅為金屬納米顆粒提供了均勻的分散空間，還能通過孔壁缺陷位點(diǎn)與金屬產(chǎn)生強(qiáng)相互作用，使co氧化反應(yīng)活性提升40%。對(duì)于微孔碳材料，其亞納米級(jí)的窗口孔徑可充當(dāng)分子篩，在乙苯脫氫反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物與產(chǎn)物的選擇性分離。近期研究更發(fā)現(xiàn)，具有0.5-0.7nm超微孔的碳基材料可對(duì)co2/n2混合氣實(shí)現(xiàn)高達(dá)200:1的分離比。

4、在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)尤為突出。大孔骨架（50-200μm）構(gòu)建的三維貫通網(wǎng)絡(luò)為細(xì)胞增殖提供支架，介孔通道（10-30nm）負(fù)載的抗生素可實(shí)現(xiàn)緩釋給藥，而微孔表面（1-2nm）的官能團(tuán)修飾可特異性捕獲各類毒素分子。臨床試驗(yàn)表明，這種多級(jí)孔碳血液灌流器對(duì)β2-微球蛋白的清除率可達(dá)85%，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)樹脂材料。

5、隨著以上領(lǐng)域的快速發(fā)展，現(xiàn)代科技對(duì)多孔炭材料提出了智能響應(yīng)、多場(chǎng)耦合協(xié)同等新一代功能需求。傳統(tǒng)單級(jí)孔結(jié)構(gòu)材料因功能單一已難以滿足這些復(fù)合性能要求，而基于分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念，通過構(gòu)建不同孔隙結(jié)構(gòu)及含量的多尺度孔道協(xié)同體系，為實(shí)現(xiàn)第三代智能碳材料提供了新的可能。盡管該方向前景廣闊，但如何精準(zhǔn)調(diào)控孔隙層級(jí)、實(shí)現(xiàn)表面功能化與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的統(tǒng)一，仍是當(dāng)前材料制備領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提出一種孔可控的多孔炭及其制備方法，確保多孔炭的精準(zhǔn)應(yīng)用并提高其應(yīng)用性能。該制備方法簡(jiǎn)單易行，制備出的多孔炭材料具有高比表面積、可調(diào)控的孔隙結(jié)構(gòu)，而且顯著提高其電化學(xué)性能。

2、為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種孔可控的多孔炭的制備方法，流程包括預(yù)處理—活化—酸洗純化—分級(jí)，其中：

3、（1）預(yù)處理

4、將生物炭原料粉碎至80-200目以增加反應(yīng)接觸面積，隨后在80-120℃的環(huán)境下干燥12-24h，保證炭材料中水分的完全去除；

5、（2）化學(xué)活化

6、將步驟（1）預(yù)處理后的原料與活化劑混合，在惰性氣氛中升溫至600-900℃熱處理，保溫1-2h，以用于擴(kuò)孔并調(diào)控孔隙分布，活化劑比例和溫度決定最終比表面積，熱處理后用去離子水清洗至中性，干燥；

7、活化劑為氫氧化鉀（koh）、氫氧化鈉（naoh）中的至少一種，按質(zhì)量比計(jì)活化劑：預(yù)處理后的原料=1:1-4:1；

8、（3）酸洗純化

9、首先，根據(jù)多孔炭所需的孔隙結(jié)構(gòu)而定制一套復(fù)配混合酸洗液，復(fù)配混合酸洗液由不同濃度、不同比例的鹽酸、硝酸和氫氟酸組成，隨后在60℃的超聲水浴下酸洗活化后的產(chǎn)物15min，去除生物炭中的鉀金屬，鉀溶出后，即可留下孔隙，然后反復(fù)用去離子水清洗至中性，去除酸液及雜質(zhì)，穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)，隨后在105℃下干燥，去除水分；

10、（4）分級(jí)

11、將鈍化后的產(chǎn)物通過分級(jí)輪篩選材料，優(yōu)選將d00小于1μm全部篩除，d10小于3μm的篩除，d50大于10μm以上的全部篩除；

12、本發(fā)明進(jìn)一步限定的技術(shù)方案：

13、進(jìn)一步，前述孔可控的多孔炭的制備方法中，步驟（1）中原料為生物炭原料，生物炭原料為稻殼生物炭、椰殼生物炭或秸稈生物炭中的至少一種。

14、技術(shù)效果，本發(fā)明的碳源為生物質(zhì)生物炭，其可再生，來源廣泛，具可持續(xù)性，成本低，綠色環(huán)保。

15、前述孔可控的多孔炭的制備方法中，步驟（2）中惰性氣氛為氮?dú)饣驓鍤狻?/p>

16、前述孔可控的多孔炭的制備方法中，步驟（2）中按質(zhì)量比計(jì)預(yù)處理后的原料：活化劑=1:3。

17、前述孔可控的多孔炭的制備方法中，步驟（2）中活性劑為koh、naoh固體混合物。

18、技術(shù)效果，koh活化制備的多孔炭材料通常比表面積可達(dá)2000m2/g以上，其孔隙分布以微孔為主，但是過多的微孔對(duì)多孔炭材料的電容性能具有負(fù)面作用，限制了電解質(zhì)離子在快速充電過程中的轉(zhuǎn)移，相比koh，naoh活化制備的多孔炭材料中孔率較高且既有更好的電導(dǎo)率，這些均對(duì)電容性能具有促進(jìn)作用，由于活化反應(yīng)的機(jī)制不同，naoh活化制備的活性炭通常比表面積較低，這方便不利于電容性能的提高；本發(fā)明采用的活化劑為koh和naoh的混合物，綜合他們的優(yōu)缺點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短。

19、前述孔可控的多孔炭的制備方法中，根據(jù)多孔炭材料的所需特性，如比表面積、孔隙度、灰分含量等，步驟（3）中復(fù)配混合酸洗液為鹽酸、硝酸、氫氟酸中的至少一種。

20、前述孔可控的多孔炭的制備方法中，步驟（3）中，根據(jù)多孔炭所需的孔隙結(jié)構(gòu)，其中優(yōu)選復(fù)配混合酸洗液為鹽酸（95%濃度）和硝酸（75%濃度）、氫氟酸（35%濃度）的混合物，且體積比為3:3:1。

21、技術(shù)效果，本發(fā)明采用復(fù)配混合酸液作為酸洗液，其中鹽酸可以有效去除炭中的鉀金屬，達(dá)到造孔的作用，而硝酸可以更好的去除炭材料中殘留的活化劑和灰分，氫氟酸可以對(duì)炭材料中的硅元素進(jìn)行定向脫除，并對(duì)炭骨架進(jìn)行刻蝕、造孔。即：鹽酸硝酸有利于形成介孔結(jié)構(gòu)，氫氟酸有利于提高比表面積和形成微孔結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的混合酸充分利用了協(xié)同效應(yīng)，更好的對(duì)活化后的產(chǎn)物進(jìn)行清洗，去除堿活化過程中的堿金屬和灰分，同時(shí)可以通過復(fù)配酸液的配比和濃度進(jìn)一步調(diào)控孔隙結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)微孔和介孔的比例，并調(diào)節(jié)表面化學(xué)性質(zhì)。

22、本發(fā)明還設(shè)計(jì)一種孔可控的多孔炭。

23、本發(fā)明的有益效果是：

24、本發(fā)明步驟（1）中預(yù)處理時(shí)原料粉碎后進(jìn)行了干燥，干燥步驟需根據(jù)原料而定，原則上應(yīng)保證原料水分完全去除保。

25、現(xiàn)代工業(yè)常用的化學(xué)活化法具有反應(yīng)溫度較低、反應(yīng)時(shí)間短、多孔炭材料收益率較高，所得多孔炭材料孔隙結(jié)構(gòu)較發(fā)達(dá)等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)其比表面積、孔隙等參數(shù)由于化學(xué)反應(yīng)的微觀性而難以控制，最終產(chǎn)品的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)難以得到細(xì)節(jié)方面的調(diào)控，因此在應(yīng)用中難以發(fā)揮多孔炭材料中各類孔隙的全部效能。本發(fā)明進(jìn)行的堿活化和酸洗是制備多孔炭的關(guān)鍵步驟，主要通過堿活化劑的化學(xué)腐蝕和各類酸液的協(xié)同刻蝕作用形成目標(biāo)孔隙。本發(fā)明嚴(yán)格限制堿活化劑和酸洗液的添加量，根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物所需的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行添加量及配比調(diào)整，得到具有豐富微孔、介孔且含量占比可控的多孔炭材料。

26、本發(fā)明在酸洗后進(jìn)行分級(jí)處理，使物料達(dá)到最佳比表面積。