多孔碳材料的研究进展 PPT
第4章 多孔炭材料材料
多孔炭材料
所谓多孔炭材料是指具有不同孔结构的碳素材料， 其孔大小从具有相当于分子大小的纳米级超细微 孔直到适于微生物增殖及活动的微米级细孔。
作为新材料，它们又具有耐高温、耐酸碱、导电、 传热等一系列优点。多种形态的活性炭是这类材 料的典型例子，它们在气体和液体的精制、分离 以及水处理和空气净化等方面已得到广泛的应用。 活性炭 活性碳纤维 碳分子筛
原料 粘结剂
活化介质: CO2、空气、
烟道气等
水蒸汽
混合
成型
炭化
活化
产品
分级
干燥
洗涤
优点：对环境无污染，缺点是收率不高，活化温度较高。
物理活化法工艺
反应主要工序为炭化和活化两个阶段。 炭化就是将原料加热，预先除去其中的挥发成分，
制成适合于下一步活化用的炭化料。炭化的实质 是有机物的热解过程，包括热分解反应和热缩聚 反应，在高温条件下，有机化合物中所含的氢、 氧等元素的组成被分解，炭原子不断环化，芳构 化，结果使氢、氧、氮等原子不断减少，炭不断 富集，最后成为富炭或纯炭物质。
泥煤，褐煤，无烟煤，煤沥青
石油原料 石油焦，石油沥青，石油渣，油砂地沥青
塑料
聚氯乙烯，聚丙烯，各种树脂等
其它
砂糖，蜜糖，旧轮胎等
制备方法
物理活化法 利用气体介质对原料进行活化成孔 化学活化法 利用化学试剂对原料进行活化成孔 化学-物理活化法 先化学活化再用物理法进一步扩孔
物理活化法工艺流程图
得比表面积为3231m2/g的AC； 大连舰艇学院的梅建庭等以煤沥青为原料，采用KOH活化制
出比表面积为2690m2/g的AC。
活性炭的结构
微晶结构 孔隙结构
分级多孔碳材料的制备及应用研究
4、生物医学
结论 模板技术制备多孔碳材料具有制备方法简单、可控性好等优点，在电化学能 源存储、光电催化、环境污染治理和生物医学等领域展现出广泛的应用前景。然 而，目前模板技术制备多孔碳材料仍存在一些不足之处，如模板的选取和使用受 限、制备成本较高等。
4、生物医学
因此，未来的研究应致力于开发新型的模板技术，降低制备成本，提高生产 效率，同时进一步拓展多孔碳材料在各领域的应用范围。
在浸泡处理过程中，模板与前驱体溶液充分接触，实现模板与前驱体的有机 结合。热解及碳化步骤则是去除模板并形成多孔碳材料的关键环节。通过控制热 解温度、气氛和时间，可以进一步调节多孔碳材料的孔结构、比表面积和孔容积 等参数。
模板技术制备多孔碳材料
此外，浸泡时间和温度也是影响多孔碳材料性能的重要因素。在适当的浸泡 时间和温度下，模板和前驱体溶液能够充分相互作用，从而有利于生成具有优良 性能的多孔碳材料。
分级多孔碳材料的制备方法
生物途径主要是利用微生物，如菌、真菌等来制备分级多孔碳材料。这种 方法是将微生物与碳源混合在一起，然后控制生长条件，使得微生物繁殖并形成 多孔结构。
分级多孔碳材料在电化学能源领 域的应用
分级多孔碳材料在电化学能源领域的应用
分级多孔碳材料在电化学能源领域具有广泛的应用，主要包括超级电容器、 电池和燃料电池等。分级多孔碳材料可以作为电极材料，提高电极的导电性和电 化学性能。例如，分级多孔碳材料可以用于制备高能量密度的锂离子电池电极， 同时具有良好的循环稳定性和倍率性能。此外，分级多孔碳材料还可以作为燃料 电池的电极材料，提高电极的导电性和耐腐蚀性。
结论
如何进一步提高分级多孔碳材料的电化学性能等。希望通过不断的研究和创 新，能够克服这些问题，推动分级多孔碳材料的进一步应用和发展。
多孔炭材料ppt课件
实验安排 第一阶段，原料分析 第二阶段，预氧化，温度400–450℃ 、时间1–4h、
升温速率0.5–10℃/min 第三阶段，炭化，活化
水平 1 2 3
炭化温度(A) 炭化时间(B) 活化温度(C) 活化时间(D)
℃
min
℃
min
350
30
800
80
400
45
850
100
450
m ple
图 煤沥青与不同升温速率下前驱体中挥发分及TI含量
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
图 煤沥青与各前驱体SEM图 (a) CP (b) PC-r0.5 (c) PC-r2 (d) PC-r5 (e) PC-r10
1400
2
S p e c i f i c s u r f a c e a r e/ag / m
考察因素 原料分析（元素组成、灰分、挥发分、软化点） 预氧化条件（预氧化温度、时间、氧化介质及流量、
升温速率） 前驱体粒度、碱炭浸渍比、分散剂的选择等 炭化条件（炭化温度、时间、升温速率） 活化条件（活化温度、时间、升温速率） 产品性能（灰分、比表面积、孔径分布）
实验设计
吸附等温线是在恒定温度下平衡吸附量与被吸附气体压力 的关系曲线 。
BET吸附理论
吸附等温线类型
不同恒温时间下前驱体制备的活性炭比表面积
2
S p e c i f i c s u r f a c e a r e/ ag / m
1400 1200 1000 800 600 400 200
0 A C -h1
国内外活性炭的生产现状
二战前后，美国的AC产量一直居世界第一位。80年代后， 第三世界国家的AC工业开始发展，产量逐渐增加，到目 前，世界五大洲40多个国家生产AC，年产量达70多万吨。
多孔碳材料最近研究进展
多孔碳材料最近研究进展多孔碳材料最近研究进展1、碳源/方法[1]Gao等人利用海苔为生物质原料，在500℃下碳化，之后利用铝酸钠作为活化剂，在500-900℃下反应，最后盐酸和水洗得到了孔径分布集中在1nm和2nm的微孔-介孔碳材料，该材料BET比表面积和孔体积分别为1374.3m2/g和1.150cm3/g。
以酸性大红作为吸附质，对合成介孔碳进行吸附研究，根据朗格缪尔模型，介孔碳对酸性大红的饱和吸附量达1000mg/g。
(Yuan Gao, et al. Chemical Engineering Journal,274(2015)76-83)[2] Akshay Jain等人以洋姜杆作为生物质原料，利用ZnCl2活化法，制备碳材料，在制备过程中加入H2O2，H2O的加入能够使得材料介孔性增强，并通过调节ZnCl2和H2O2的添加比例，得到了孔径集中在20-50nm 的双介孔活性炭，该碳材料对水中罗丹明B的饱和吸附量达714mg/g。
(Akshay Jain, et al. Chemical Engineering Journal,2015,273:622-629)[3]Yang等人利用柠檬酸钙在高温700-1000℃下，分解生成碳酸钙、氧化钙和具有介孔结构的碳材料。
把钙溶解在盐酸中形成可回收的氯化钙溶液，该溶液先与氢氧化钠反应，然后加入柠檬酸形成可回收的柠檬酸钙，从而实现钙模板的回收利用。
该方法在得到性能较好的介孔碳材料时，避免了二氧化硅等模板脱除造成的化学资源浪费和可能带来的严重环境问题，是一种合成介孔碳材料的绿色新方法。
(Yang J, et al. Microporous Mesoprous Mater.,2014,183(1):91-98)[4]Feng等人以壳聚糖溶液为原料、三嵌段两亲共聚物F127 为软模板，采用一步法合成多孔碳材料，考察了复配溶液pH 值及碳化温度等条件对材料孔结构、比表面积等的影响。
目前合成多孔炭材料的研究进展
目前合成多孔炭材料的研究进展这篇文章对过去十年有关多孔炭的合成进展进行了总结。
采用不同路线，多孔炭可以具有不同的孔尺寸和孔结构。
通过活性过程已经合成了微孔活性炭。
有序微孔炭材料多孔炭主要用于气体分离、水纯化、催化剂载体、电化学双极板电容器电极材料、燃料电池。
多孔炭分为：＜2nm微孔，2nm＜介孔＜50nm，宏孔＞50nm。
传统制备多孔炭的方法有：1）化学活化、物理活化、化学物理活化；2）使用金属盐或有机金属化合物催化活化炭前驱体；含碳聚合物和可裂解聚合物的碳化；3）在超临界干燥条件下合成的聚合物气凝胶的碳化。
尽管采用上述方法合成了多种多孔炭，但多孔炭的均匀性还需要进一步改进。
过去十年，很多硬的、可设计的无机模板用来合成具有均匀孔尺寸的炭材料。
Knox和他的合作者首创了采用模板合成多孔炭的先河，从此以后，采用无机模板合成了具有微孔、介孔和宏孔的孔结构均匀的多孔炭。
模板合成多孔炭一般包括：1）制备炭前驱体/无机模板复合材料，2）碳化，3）移去无机模板。
目前已经不同无机材料作为模板材料，包括SiO2纳米颗粒，沸石类，多孔氧化铝膜，介孔二氧化硅。
大致的说，模板法一般分为两类。
首先，无机模板，如氧化硅纳米颗粒嵌入到炭前驱体内。
随后碳化，移去无机模板，产生独立的孔结构。
另一种是，炭先驱体引入模板孔内，碳化，移去模板，产生联通孔结构。
本文主要研究模板法合成多孔炭。
2.微孔炭2.1 无序微孔炭（分子筛炭）（MSCs）以煤或有机化合物为原料加工制成的孔径为分子级的多孔含碳物质。
分子筛炭是一类特殊的活性炭，其拥有几埃直径的均匀孔结构，已广泛用于分离气体分子，形状选择催化剂、电化学双极板电容器电极材料。
由于其疏水性和抗腐蚀性，MSCs可用于无机分子筛分。
MSCs最有代表性的制备方法是适当炭前驱体的裂解。
Miura et al.采用煤和有机添加剂裂解制备了MSCs。
添加有机添加剂可获得不同于只有煤存在的孔结构。
改变试验条件，可以改变孔尺寸。
碳质多孔材料的研究现状及进展
李 丹 李 嘉俊
陕西省建筑科学 研究 院
摘 要 碳 质 多孔 材 料具 有 密 度 低 高 导 电和 高 导 热 热膨 胀 系数 小 抗 冲 击 等 诸 多优 点 被 广 泛 应 用 于 隔热 材 料 热容 材 料 电 极材料 催 化 剂 载 体 和 吸 附材料 等领 域 本文 阐述 了 碳质 多孔 材料 及 其 改性方 法 的 研 究现 状 探 讨 了 碳 质 多孔 材 料 的发 展趋势 : 关 键 词 碳 材料 ; 泡 沫 ; 改性 ; 孔 洞
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1
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碳 质 泡 沫材料 的 发 展趋 势 碳质 泡沫材 料 的研究仍 然有 诸 多 问题 悬 而 未 决 今 后 对 于 碳质泡沫材 料 的研究 认 为应该 重点加强 以 下 几 个方 面 (l ) 研究提 高碳质 多孔 材 料 的力学性 能的策 略 和 方 法 并建 立 相 关 的数 学 模 型 对其 强度进行 预 测 z 分析 碳 质 多孔 材 料 在不 同服役环 境 下 的失 效 演变机 理 ) ( 采 用 无 损检 测 技术 研究 碳质 多孔 材 料 的失 效 过 程 (3 ) 拓展碳质 多孔 材 料 在 隔热 领 域 的应 用 的关 键 仍 然是 其 表 面 改性技术 的进 步 需 要结 合表 面 改性 添 加增强 相 和 高温处 理 等方 法 促进碳 质 多孔材 料 改性技术 的 长足进 步 ’) ( 探 索碳 质 多孔 材 料 与 其 他 材 料 的结合 途 径 在 发 挥碳质 多孔 材 料 的功能性作 用 的基 础上 实现材 料 的结 构 功 能一 体 化 ) 研究 碳 质 多孔 材 料 的孔 隙机 构 和 微 孔尺 寸 的控制 方 法 5 ( 建 立微 孔 尺 寸 和 孔 隙 分 布与材 料 的力 学性能 和 热学性能 的关 联 性 数据 库
多孔碳材料的研究进展课件(一)
多孔碳材料的研究进展课件(一)多孔碳材料是一种新型的碳材料，拥有开发多个孔隙的特殊结构，使其具有很强的吸附能力、催化活性和导电性，因此在环境治理、化学催化、能源存储等方面具有广阔的应用前景。
本课件将对多孔碳材料的研究进展进行详细介绍。
一、多孔碳材料的分类根据孔径大小和形态分布，多孔碳材料可以分为以下几类：1. 微孔碳材料：亚纳米尺寸级别的孔隙大小只有2~3nm，内部结构紧密，表面积相对较小，通常用于气体分离和储存。
2. 中孔碳材料：孔隙大小在10~100nm范围内，内部结构相对疏散，表面积比微孔碳高，通常用于固体催化反应、吸附和分离。
3. 大孔碳材料：孔隙大小超过100nm，内部结构疏松，表面积相对较小，通常用于电池电解介质或者储存电能。
二、多孔碳材料的制备方法制备多孔碳材料的方法多种多样，常见的包括物理法、化学法、物理化学法及其衍生方法等。
常见的方法有：1. 碳化法：根据原料不同制备出不同的多孔碳材料，常用的原料包括聚苯乙烯、酚醛树脂等。
2. 模板法：通过选择合适的模板材料和模板剂，制备出拥有多种孔径、孔隙结构或者表面形貌的多孔碳材料。
3. 化学法：通过选择合适的前驱体，利用典型的化学反应制备出多孔碳材料，如硫酸葡萄糖法，等离子体刻蚀法等。
三、多孔碳材料的应用1. 环境治理：多孔碳材料可以通过吸附和分解有机物等方式，起到净化环境的作用。
2. 化学催化：多孔碳材料的催化效果具有很大优势，可用于催化剂的制备、有机合成、电化学催化等方面。
3. 能源存储：多孔碳材料作为电容器或储能材料可以用于电源和超级电容器等方面。
四、结语多孔碳材料的研究进展一直是碳材料研究的热点和重点。
我们相信，在未来的科技研究中，多孔碳材料将会继续得到广泛关注和应用。
磁性多孔碳材料的研究进展
04098功滋讨科2021年第4期(52)卷文章编号：1001-9731(2021)04-04098-07磁性多孔碳材料的研究进展”颛孙梦林1，何伟1,(1.沈阳化工大学材料科学与工程学院，沈阳110142； 2.辽宁隆镁科技有限公司，辽宁鞍山114207)摘要：磁性多孔碳材料同时具有磁性和多孔性质，其拥有丰富的孔道结构、高的比表面积、高孔容、良好的活性位点和磁性可分离等优异的性能，可以很好的解决多孔碳材料在应用过程中难分离回收等问题，因此，磁性多孔碳材料已经在吸附领域得到广泛的应用。
按照孔径大小、磁性强弱以及组合方式的不同将磁性多孔碳材料进行了分类，并综述了近年来磁性多孔碳材料的制备方法以及吸附应用，最后，对磁性多孔碳材料的应用前景进行了展望。
关键词：多孔碳材料；磁性；制备方法；吸附中图分类号：TB34文献标识码:A DOI：10.3969/.issn.1001-9731.2021.04.0140引言多孔碳材料［］具有高度发达的孔隙结构、高比表面积、良好的电导率、有序的多孔结构、大孔隙体积、强耐腐蚀性、热稳定性和良好的活性位点等优异的物理化学性能，因此，广泛应用在超级电容器电极23］、催化与储能［］、电池负极材料［］、重金属离子吸附［］、气体吸附⑺和微波吸收］8］等诸多领域。
目前，工业废水的大量排放,其中的许多染料对环境和人类身体健康具有一定的危害性，因此，从工业废水中去除有机染料就显得十分重要。
多孔碳材料凭借自身特性可应用于有机染料吸附，然而，常规的多孔碳材料在实际应用中难以分离和回收，且可能会造成二次污染。
随着人们对多孔碳材料的深入研究，开发具有优异性能的磁性多孔碳材料成为研究热点。
科研工作者们通过对多孔碳材料进行磁性复合来制备磁性多孔碳材料，如在多孔碳材料中增加磁性纳米粒子，可以轻而易举地将被污染的多孔材料分离出来，达到分离净化、重复利用的目的。
磁性多孔碳材料［］具有高比表面积、高孔容、吸附能力强、磁性可分离等特点，拥有磁性性质和多孔性质，可以很好的解决多孔碳材料的缺陷,在诸多领域有着巨大的应用潜力，如作为宽带电磁波的吸收剂［0］、用于药物输送［1］、屏蔽电磁干扰［2］等，磁性多孔碳材料所具备的优异特性有助于其作为吸附剂发挥出色的性能。
多孔材料发展、制备与构效关系
图文速递
3、功能化的多孔碳材料(杂原子掺杂效应)
杂原子掺杂是指在碳原子的晶格中, 外来的原子替代了一 些碳原子, 从而显著地改变了最终材料的电子和表面电荷 的性质。主要有原位掺杂和后处理掺杂两种方法。 原位掺杂是指将预先制备的含杂原子的碳前驱体材料进行 高温碳化，一步得到杂原子掺杂的多孔碳材料。其优点： 将杂原子均匀地结合到整个纳米多孔碳体系中。 后处理掺杂主要是对多孔碳材料通过浸渍或氧化的方法进 行后处理, 从而使多孔碳材料表面接上含有杂原子的官能 团或者将多孔碳材料置于含有杂原子的气体中，在高温条 件下反应从而得到杂原子掺杂的多孔碳材料。其优点：通 常只是将多孔碳材料表面功能化而不改变其整体性质。
图文速递
2.1.1、硬模板法
图2、P掺杂介孔碳的制备示意图及其SEM和TEM图
常用的硬模板包括介孔氧化硅、阳极氧化铝、沸石分子筛和 胶体晶体等。最先由英国爱丁堡大学的Knox教授等提出。目 前，利用硬模板法制备了大量具有高比表面积、大孔体积、 不同形貌的多孔碳材料。虽然目前制备了许多类型的有序或 无序的多孔碳材料，并且能够较好地控制它们的孔径和形貌， 但是其操作过程复杂、耗时较多且碳化以后需要去除模板， 存在模板残留问题。
图文速递
3.1、氮掺杂
图6、分级多孔N掺杂的碳材料制备示意图
氮(N)的原子半径与碳相似, 但具有与碳原子不同的电子构 型和电负性。氮掺杂到多孔碳骨架中可以改变它们的电子 结构，同时使晶格失配最小化，从而产生独特的电子特性。 目前，仍存在一些亟需解决的问题：（1）需要开发更简单、 有效制备高氮含量掺杂碳材料的方法；（2）需要进一步阐 明不同类型的氮在氮掺杂碳材料中的作用机理；（3）如何 精确调控氮原子的含量和不同类型氮原子的比例。
图文速递
碳材料科学ppt课件
第四部分 炭的表面化学（4学时）
第五部分 石墨层间化合物（2学时）
第六部分 炭科学研究的新进展（4-6学时）
一、金刚石薄膜
二、富勒烯与纳米洋葱
三、纳米碳管 四、碳包覆纳米金属晶
考试：2学时
10
考核：
1、出勤计入成绩（权重10%）； 2、平时作业/报告成绩（权重20 %）； 2、期末试卷考试（权重70% ）。
32
第二代 炭材料
★ 烧结炭材料 利用炭的物理性质（导电、耐热、耐腐 蚀、耐摩擦等），用于炭砖、炼钢、炼 铝等（电极、电刷、各种机械、化工用 炭、原子反应堆用炭等）
33
第三代 炭材料
以炭纤维（CF）为代表的新型炭材料(结构 和功能材料)纷纷出现，是炭材料的大发展 时期，也是炭科学形成的时期
34
材料
6
Ordered Mesoporous Carbons from the Carbonization of as-synthesized Silica/Sucrose/Triblock copolymer Nanocomposites
碳的六方有序孔道
7
锂离子二次电池电极材料
电流
正极
隔膜
电子 负极
炭 纤 维
针
状
高导热材料,发泡炭、高级粘
多孔碳研究现状
一般来说，制备多孔炭的材料可分为有机高分子聚合物、各种煤及衍生物和天然高分子化合物等。
高分子基多孔炭材料由于其来源丰富，结构易控制而备受关注。
目前广泛使用的多孔炭材料中有相当一部分是通过高分子作为炭源制备得到的。
沈阳材料科学国家(联合)实验室先进炭材料研究部成会明研究员、李峰副研究员等与澳大利亚昆士兰大学逯高清教授合作，设计并制备出一种局域石墨化三维层次多孔结构的新型多孔炭材料(HPGC)。
该材料在高倍率条件下同时具有很高的能量密度和功率密度，可用作超级电容器的电极材料。
该研究组发现多孔电极的电荷存储能力由多孔结构的离子传输性能(受孔的尺寸、形状及取向等因素影响)、多孔炭的电子导电性以及电解液性质和电解液与炭材料之间的物理化学相互作用等因素所决定。
据此他们提出将不同尺度孔(大孔-中孔-微孔)以三维网络形式组装，同时尽可能获得局域石墨片层结构的电极材料设计思想。
HPGC结构的诸多特点使其制备十分困难。
为此科研人员提出了采用液相无机模板方法，制备出具有上述三维层次孔结构和局域石墨片层结构的HPGC材料。
实验结果证明，HPGC材料比活性炭和有序介孔炭材料具有更加优异的高倍率电化学能量存储与转换能力。
优异的高倍率储能性能在水系和有机系电解液中均能实现，该性能超过美国提出的PNGV功率指标。
酚醛树脂是酚类化合物(苯酚、二甲酚等)和醛类化合物(甲醛和糠醛)的缩聚产物。
它作为制备多孔炭材料的前驱体具有价格低廉、成炭率高等特点。
Zhou 等将磺酸基团引入酚醛树脂基体中制备得到多孔炭材料。
由于磺酸基团在炭化过程中生成二氧化硫气体而产生孔洞。
此外，他们利用磺化酚醛树脂作基体制备得到能够用于气体分离的多孔炭薄膜[1]。
考察了反应条件和热解温度对多孔炭薄膜的影响，制备得到的薄膜在35℃时O2/N2的分离系数可达12。
魏微等[2]合成了球形热固性酚醛树脂微粒，并制备得到了微滤炭膜。
考察了原料粒度的影响，结果表明，在原料粒度较小的情况下，炭膜孔径分布较窄，平均孔径和气体透量较小。
多孔碳材料
多孔碳材料多孔碳材料是一种具有特殊孔隙结构的碳材料，具有较高的比表面积和丰富的表面活性位点，被广泛应用于能源存储、环境净化、催化剂载体等领域。
多孔碳材料的制备方法多样，可以通过物理法、化学法和生物自组装法等不同途径制备得到。
多孔碳材料的主要特点之一是其较大的比表面积。
多孔结构使得碳材料的比表面积大幅增加，从而增强了材料的吸附能力和表面反应活性。
比表面积的增加可以增大材料表面与待吸附物质或反应物质的接触面积，从而提高反应速率和增强吸附效果。
例如，在能源存储领域，利用多孔碳材料的大表面积可以提高电极的电化学性能，增大电容量和提高电子传导速率。
此外，多孔碳材料还具有良好的化学稳定性和高温稳定性。
由于碳材料的化学稳定性较高，它可以在不同环境下长时间稳定地应用。
这使得多孔碳材料成为一种理想的催化剂载体或支撑材料，可以用于各种催化反应。
多孔碳材料的孔隙结构也对其性能有重要影响。
适当的孔隙大小和分布可以提供合适的传质通道，有利于物质的扩散和运移。
孔隙结构还可以调控材料的表面性质，如亲水性、疏水性等，从而影响材料的吸附效率和选择性。
因此，在制备多孔碳材料时，常常需要控制孔隙大小和分布，以获得优良的性能。
在能源存储方面，多孔碳材料被广泛应用于电池和超级电容器等能源储存设备。
多孔碳材料作为电极材料，可以提供更多的电荷传输路径和更大的电荷存储容量，从而提高储能效率和功率密度。
此外，多孔碳材料还具有良好的电子导电性和机械强度，使其成为适合用作电极材料的理想候选。
在环境净化领域，多孔碳材料可以作为吸附剂用于废水和废气处理。
多孔碳材料的大比表面积和丰富的孔隙结构可以提供更多的吸附位点，有效吸附和去除废水中的有害物质和废气中的污染物。
此外，多孔碳材料还可以通过控制孔隙大小和表面性质，选择性地吸附不同分子大小和极性的物质，提高处理效果。
综上所述，多孔碳材料具有较大的比表面积、良好的化学稳定性和高温稳定性，在能源存储和环境净化领域具有重要应用价值。
多孔炭材料的研究进展及前景
收稿:1995年4月多孔炭材料的研究进展及前景郑经堂 张引枝 王茂章(中国科学院山西煤炭化学研究所 太原030001)摘 要 近年来多孔炭材料在国内外的研究和开发应用都十分活跃。
本文从制备原料的扩展,形态特征的增多,纳米空间的控制,功能特性的改进,微细组织的察,应用途径的开拓等不同方面综述了多孔炭材料的研究和应用开发的新进展。
关键词 吸附剂 活性炭 活性炭纤维 活性炭膜 分子筛碳The Study Progress and Prospect of Porous Carbon MaterialsZheng J ingtang Zhang Yinz hi W ang M aoz hang(Institute of Coal Chemistry ,Chinese Academy of Sciences,T aiy uan 030001)Abstract This paper sy stematically summ ar izes new developments of study and uses abo ut poro us carbon m aterials from various aspects ,such as ex pansions o f productio n ma-terials,increases of shape features,co ntrol o f nanom eter distance,improv em ents of function character,test o f fine structures and exploitatio n of new use channels.Key words adsorbents ;activated carbon ;activ ated carbon fiber ;activated carbon film ;m olecular siev e carbon所谓多孔炭材料是指具有不同孔结构的碳素材料,其孔大小从具有相当于分子大小的纳米级超细微孔直到适于微生物增殖及活动的微米级细孔。
多孔材料研究进展PPT课件
1997年—— 出现大孔材料的合成。（孔径>50nm, 次微米范围。 以胶体微粒、细菌菌丝为模板。）
近几年—— 出现以配位聚合物、金属有机化合物、无机-有机 杂化材料为骨架的多孔材料。（孔结构易调节、 易于表面修饰、功能化）
9
3 有序介孔材料研究概况
1992年，美国Mobil公司首先采用表面 活性剂为模板合成出 M41S系列介孔材料：
型功能材料的制备等方面。
18
有序介孔材料的合成方法：
采用表面活性剂为模板剂，以其形成的超分子结构为模板， 通过溶胶-凝胶过程，在无机物与有机物之间的界面引导作用下， 无机物种在模板的表面发生水解和缩聚，形成形状规则、排列 有序的有机无机复合体，再通过溶剂萃取或焙烧去除表面活 性剂，从而得到有序多孔材料。
12
MCM-48
13
SBA-8
14
SBA-15
15
16
TEM images of calcined JLU-30 taken in the (100) and (110) directions and the corresponding Fourier diffractogram (inset).
多孔材料研究进展
2005的分类简介 • 多孔材料发展简史 • 有序介孔材料研究概况 • 多孔网络高分子的合成 • 多孔材料的表征方法 • 多孔材料的应用领域
2
1 多孔材料的分类
按孔径大小分 :
微孔材料(microporous materials) ：＜ 2 nm 介孔材料(mesoporous materials) ： 2~50 nm 大孔材料(macroporous materials) ：＞ 50 nm
（美国 Linde, Union Carbide, Mobil, Exxson等公司）； • 1959年—— 中国合成出A型、X型分子筛；（大连化物所）
超级电容器用多孔碳材料的研究进展
碳凝胶材料性能
质轻、大比表面积、中孔发达、导电性良好、 电化学性能稳定的纳米级的中孔碳材料。
孔隙率达80％～90％，孔径3～20nm，比表 面积400～1100m2/g，密度范围0.03～ 0.8g/cm3，电导率10～25S/cm。
克服使用活性碳粉末和纤维作电极时存在的 内部接触电阻大，含有大量不能被电解液浸 入的微孔，比表面积得不到充分利用的问题， 是制备高比能量、高比功率电化学电容器的 理想电极材料。
成本低，周期短
大连理工大学的李文翠：酚类同分异构物混合物 （J）与甲醛（F）JF凝胶，成本低，周期短，但 密度高于RF凝胶，比表面积也较RF凝胶略低
碳凝胶性能
RF的EDLC实验室样品：功率密度为7.7kW/kg，能量 密度为5Wh/kg，比容量39F/g(以碳和电解液的重量之和 为准，水电解液)。
碳纳米管改性
利用剩余的SP3杂化轨道引入官能团，产生法拉第准电 容。E.Frackowiak证实表面官能团参与氧化还原反应故 会形成准电容，比电容从80F/g增至137F/g。
E．Frackowiak:掺金属锂的碳纳米管电极在LiClO4电解 液中在1．5～3V之间充放电时，表现出良好且独特的高 压下的双电层电容效应，容量可达30F/g(非水电解液)。
X.Liu在研究发现，经过电化学氧化处理后碳电极 容量从135F/g增加到171F/g，氧化处理后进行还 原处理，容量增加更明显，增加到215F/g。认为 主要是由于碳材料氧化后表面含氧官能团含量增 加而引起的。
从制备高容量、耐高压、稳定性好的电容器角度 出发，希望活性碳材料表面的官能团有一个合适 的比例。
量大，循环寿命长，价格高，污染。
➢导电聚合物材料：工作电压高但电阻大 。 ➢ 杂多酸：具有固体电解质的优点，使用方便。
多孔碳材料的研究进展 PPT
Li K， Ling L， Lu C， et al. Catalytic removal of SO2 over ammonia-activated carbon fibers[J]. Carbon， 2001， 39(39):1803-1808.
Vimlesh C， Seong Uk Y， Seon Ho K， et al. Highly selective CO2 capture on N-doped carbon
15
超级电容器
• 碳材料，如碳粉末、碳纤维、碳凝胶、碳纳米管、碳复合 物、碳垫、碳独块巨石、碳箔等， 被广泛的应用于超级电 容器。
北京科技大学范丽珍 教授用氨基葡萄糖为 原料合成氮掺杂碳材 料，比容量在 H2SO4 和 KOH 溶液中分别可 达 300 和 220F/g。
Li Z， Li-Zhen F， Meng-Qi Z， et al. Nitrogen-containing hydrothermal carbons with superior performance in supercapacitors.[J]. Advanced Materials， 2010， 22(45):5202–5206.
Guang-Ping H， Wen-Cui L， Dan Q， et al. Structurally designed synthesis of mechanically stable
poly(benzoxazine-co-resol)-based porous carbon monoliths and their application as high-performance CO2 capture
17
吸附分离
• 多孔碳材料中掺杂 N 原子或含氮碱性基团后，可以极大地调 变多孔碳材料的表面积、孔道结构、表面化学特性，因此被许 多研究者用于气体的吸附研究。
碳基化合物的多孔材料研究及应用展望
碳基化合物的多孔材料研究及应用展望1. 引言碳基化合物是一类由碳元素构成的化合物，具有多种形态和结构。
近年来，研究人员发现碳基化合物中的多孔材料具有广泛的应用潜力。
本文将探讨碳基化合物多孔材料的研究进展以及未来的应用展望。
2. 碳基化合物多孔材料的制备方法目前，制备碳基化合物多孔材料的方法主要包括模板法、溶胶-凝胶法和直接碳化法等。
其中，模板法是一种常用的方法，通过选择合适的模板材料，如硅胶、氧化铝等，使其与碳源发生反应，然后去除模板材料，最终得到多孔材料。
溶胶-凝胶法则是通过溶胶和凝胶的形成过程来制备多孔材料。
直接碳化法则是将碳源与金属催化剂一起热处理，使其发生碳化反应，形成多孔结构。
3. 碳基化合物多孔材料的结构特点碳基化合物多孔材料的结构特点主要包括孔径大小、孔隙度和表面积等。
由于碳基化合物的特殊结构，多孔材料具有高度的孔隙度和表面积，使其具有良好的吸附性能和催化活性。
此外，碳基化合物多孔材料的孔径大小可以通过调控制备条件进行调节，从而实现对不同分子的选择性吸附。
4. 碳基化合物多孔材料在环境领域的应用展望碳基化合物多孔材料在环境领域有着广泛的应用前景。
首先，多孔材料可以作为吸附剂用于废水处理和空气净化。
其高度的孔隙度和表面积使其能够高效地吸附有害物质，如重金属离子和有机污染物。
其次，多孔材料还可以作为催化剂用于催化反应，如有机废气的催化氧化和有机合成反应等。
此外，碳基化合物多孔材料还可以用于储能领域，如超级电容器和锂离子电池等。
5. 碳基化合物多孔材料在生物医学领域的应用展望碳基化合物多孔材料在生物医学领域也有着广泛的应用潜力。
多孔材料可以用于药物传递系统，通过控制孔径大小和表面性质，实现对药物的控制释放。
此外，多孔材料还可以用于组织工程和生物传感器等方面。
通过将多孔材料与细胞或生物分子相结合，可以实现对组织修复和疾病诊断的改进。
6. 碳基化合物多孔材料的挑战与展望尽管碳基化合物多孔材料在各个领域都有着广泛的应用前景，但仍存在一些挑战。
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多孔碳材料简介 多孔碳材料合成 多孔碳材料应用 前景展望
2
多孔碳材料
• 常见的多孔碳材料有：活性碳、活性碳纤 维、介孔碳、碳纳米管、碳分子筛等。
3
比表面积大 质量轻
导电导热 化学稳定性高
多孔材料 多孔碳材料
吸附分离材 料
储能材料
电极材料
……
4
多孔碳材料合成方法
合成方法
活化法 模板法
8
硬模板法
Ryoo以介孔氧化硅SBA-15为模板，合成了介孔碳CMK-3和 CMK-5 。当碳源全部填充SBA-15 的孔道时，得到纳米棒状 CMK-3；如果碳源部分填充或仅在孔道的内表面包覆一层， 得到的是一空心的纳米管型的CMK-5。
CMK-3
CMK-5
Ryoo R， Sang H J， Jun S. ChemInform Abstract: Synthesis of Highly Ordered Carbon Molecular Sieves via Template-Mediated Structural Transformation.[J].
• 1999年，韩国科 学家Ryoo等人 以蔗糖为碳源， 以介孔二氧化硅 分子筛MCM-48 为模板，首次合 成出有序介孔碳 材料CMK-1。
Ryoo R， Sang H J， Jun S. ChemInform Abstract: Synthesis of Highly Ordered Carbon Molecular Sieves via
film by self-assembly of block copolymers.[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2004,
12
43(43):5785–5789.
储氢
• 多孔碳材料具有密度小、比表面积大等结构特征，而被用 于制备储氢材料。
• 美国国立可再生能源实验室，采用TPD(程序控温脱附仪) 测量单壁纳米碳管(SWNT)的载氢量，从实验结果推测在 常温下SWNT能储存5%～10%wt的氢气，并认为SWNT接 近氢燃料电池汽车的应用标准9%wt。
• Chen等对金属掺杂对纳米碳管储氢容量的影响进行了研究， 他们称掺杂Li 及掺杂K的多壁碳纳米管在常压，200-400℃ 条件下的储氢量分别高达20%及14%。
化学活化法 物理活化法
硬模板法 软模板法
5
活化法
物理活 化法
物理活化法：采用水蒸气、 CO2、空气等气 体作为活化剂，在高温下与碳化料接触进行 活化。
化学活 化法
把化学药品加入原料中，然后在惰性气体介
质中加热活化的方法。常用活化剂有：KOH， H化3剂PO的4，作Z用nC。l2等，它们都起到了脱水剂和氧
硬模板法
10
软模板法
• 软模板法利用表面活性剂作为模板剂，通过表面活性 剂和碳源之间的相互作用,经过自组装形成多孔结构。
赵东元课题组以 酚醛树脂为碳源， 在乙醇做溶剂条 件下，利用溶剂 挥发诱导自组装 将嵌段共聚物与 碳源自组装形成 具有介孔结构的 高分子聚合物， 而后经过脱除模 板和预碳化得到 有序介孔碳材料。
6
硬模板法
• 硬模板法流程：先合成多孔分子筛，以其为硬模板，将碳 前驱体灌入其孔道中，将形成的纳米有机物/硅复合材料 经过高温碳化和模板刻蚀技术， 最终获得多孔碳材料。其 孔结构和孔道尺寸主要取决于所使用的硬模板的结构，通 过选择不同结构的硬模板，来控制和合成反相复制模板的 多孔碳材料。
7
硬模板法
Cheminform， 1999， 30(50).
9
Joo S H， Choi S J， Oh I， et al. Ordered nanoporous arrays of carbon supporting high dispersions of platinum nanoparticles[J]. Nature， 2001， 412(6843):169-
软模板法
• Dai Sheng小组将PS-P4VP型嵌段共聚物与间苯二酚甲醛树 脂组装得到嵌段共聚物-酚醛树脂复合材料，在甲醛蒸气 处理和热固后碳化，得到了高度有序的介孔碳材料。
Chengdu L, Kunlun H, Guiochon G A, et al. Synthesis of a large-scale highly ordered porous carbon
Wan Y， Shi Y， Zhao D. Supramolecular Aggregates as Templates: Ordered Mesoporous Polymers and 11 Carbons†[J]. Chemistry of Materials， 2007， 20(3):932-945.
Dillon A C， Jones K M， Bekkedahl T A， et al. Storage of hydrogen in single-walled carbon nanotubes[J]. Nature， 1997， 386(6623):377-379. Chen P， Wu X， Lin J， et al. High H2 uptake by alkali-doped carbon nanotubes under ambient pressure and moderate temperatures[J]. Science， 1999， 285(5424):91-3.
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Lee J, Kim J, Hyeon T. Recent progress in the synthesis of porous carbon materials[J]. Advanced Materials, 2011, 18(18):2073-2094.
13
储氢
• Jin 研 究 了 不 同 比 表 面 积 (900-2800m2/g) 和 孔 容 (0.432.17cm2/g)的活性碳的储氢效果，结果发现比表面积和孔 容都和吸氢量呈线性关系。