多级孔炭的制备
多级孔炭的制备
第一部分文献综述1.1多孔炭的定义、分类及研究背景根据国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)的定义，多孔炭材料(porous material) 可根据它们孔直径的大小分为三类：孔径大于50nm的孔为大孔材料(macropore material)，孔径小于2nm 的孔为微孔材料(micropore material)，孔径介于2nm～50nm的孔为介孔材料(mesopore material)[1]。
多级孔炭材料是指具有不同孔隙结构的新型炭素材料。
多孔炭材料具有耐高温、耐酸碱、导电、导热等一系列特点，已在气体和液体的精制与分离以及电子工业、生物材料和医学等诸多领域得到广泛的应用。
随着现代科技的飞速发展，多孔炭材料的应用领域在不断的扩展，近年来还陆续开发了适用于各种不同应用目的的多孔炭材料新品种，除作为吸附、分离材料外，作为催化材料、电子能源材料、生物工程材料的应用也陆续得到研究和开发，人们对于多孔炭材料的要求也越来越高。
多孔炭材料是一种最常用的吸附剂，通常由煤炭或木材加工而成。
多孔炭材料以其价廉和性能优越，在废水处理、吸附催化、催化载体、超级电容器等[2~6]方面的应用越来越广泛，市场需求也越来越大，而原有原材料煤炭和木材随着世界资源的紧张和森林保护意识的加强，显得尤为短缺。
因此，开发新型原材料制备多孔炭材料是当前研究的的热点方向，国内外学者探讨了采用椰壳、果皮、废旧轮胎、沥青等制备多孔炭材料[7~10]，取得了一定的成果。
具有不同孔径分布和比表面积的多孔炭作为一种功能性炭材料，其在不同领域的用途也比较明确。
以微孔(<2nm)为主的多孔炭材料主要吸附小分子，可用于气体分离与纯化、吸附储存天然气等；以中孔(2~50 nm)为主的多孔炭材料能够吸附大分子，可担载触媒、药剂，用作化学反应的催化剂或催化剂载体、离子交换材料和电极材料等；以大孔(>50 nm)为主的多孔炭材料可担载细菌、微生物，使无机炭材料发挥生物机能，还可用作绝热、隔音材料等[11]。
多孔碳材料的制备及其应用
多孔碳材料的制备及其应用
多孔碳材料的制备及其应用
一、什么是多孔碳材料
多孔碳材料是指具有一定的孔隙度和孔径分布的碳材料。
它具有大的
比表面积、良好的化学稳定性和导电性能，因此在多个领域有着广泛
的应用。
二、多孔碳材料的制备方法
1. 碳化方法：通过碳化有机物质得到多孔碳材料。
常用的碳源有聚合物、生物质和天然矿物。
制备方法包括高温炭化、半焦炉碳化和气相
碳化等。
2. 模板法：将具有孔隙度的材料作为模板，在其表面包覆一定的碳源，再进行炭化处理，即可得到多孔碳材料。
常用的模板材料有硅胶、纳
米颗粒、纤维素等。
3. 化学法：利用化学反应在材料表面或内部引入孔道，得到多孔碳材料。
常用的化学处理包括氧化、酸洗、碱洗等。
三、多孔碳材料的应用领域
1. 电化学储能领域：多孔碳材料在锂离子电池和超级电容器中有着广
泛的应用，因其具有大的比表面积和导电性能。
2. 气体吸附领域：多孔碳材料在吸附剂领域有着重要的应用，如制备
吸附天然气的催化剂、空气净化等。
3. 催化剂领域：多孔碳材料可以制备成各种形貌的催化剂，具有高度的催化性能和选择性，应用于催化加氢、催化裂化、脱氮等反应。
4. 生物医学领域：多孔碳材料可以用于药物递送、生物成像等，具有良好的生物相容性和生物活性。
总之，多孔碳材料具有广泛的应用前景，不断发展和创新制备方法，将会在各个领域得到更为广泛的应用。
多孔碳材料的制备
多孔碳材料的制备多孔碳材料是一类具有大量微孔和孔隙的碳材料，具有高表面积和低密度等优良特性，广泛应用于催化、吸附、电化学能量储存等领域。
下面将详细介绍多孔碳材料的制备方法。
一、孔模板法制备多孔碳材料孔模板法是一种常用的制备多孔碳材料的方法，其原理是利用模板作为孔道的模型，在模板表面或内部涂覆碳源物质，形成多孔碳材料。
模板材料可以是聚苯乙烯球、硅胶、纳米颗粒等，碳源物质可以是有机物、碳黑等。
制备过程中，通常需要经历涂覆、炭化、模板去除等步骤。
二、直接碳化法制备多孔碳材料直接碳化法是将碳源物质在一定温度下直接转化为碳材料，具有制备简单、成本低等优点。
在制备多孔碳材料时，常用的碳源物质有聚苯乙烯、聚丙烯腈等高分子材料。
制备过程中，常需要进行碳化、活化等处理，以便形成多孔结构。
三、可离析模板法制备多孔碳材料可离析模板法是一种制备大孔、中孔多孔碳材料的有力手段。
其基本思路是以复合高分子乳液作为模板，在高温下炭化，形成多孔碳材料。
在可离析模板法中，模板主要起模拟孔对多孔碳材料性质影响规律的作用。
优点是模板完全燃尽后留下无痕迹的孔道，孔径大小可精密控制。
四、气相沉积法制备多孔碳材料气相沉积法是利用气态前驱体在一定温度和压力下催化反应生成碳材料，具有反应速度快、制备成本低等优点。
在制备多孔碳材料时，常用的气态前驱体有乙烯等低分子烃类、甲醛、三聚氰胺等有机物，通过控制反应条件可调节制成多孔碳材料。
综上所述，多孔碳材料的制备方法非常多样，不同的方法适用于不同的材料和应用领域。
只有根据具体情况选择合适的制备方法，才能制备出高性能的多孔碳材料。
一种生物质分级多孔碳材料的制备方法
一种生物质分级多孔碳材料的制备方法
一种生物质分级多孔碳材料的制备方法包括以下步骤：
1. 将生物质原料在隔氧的环境下进行高温热解反应，得到生物质多孔炭。
该制备方法无污染物生成，对实验仪器设备的要求较低，适合大批量生产。
但通过这种制备方法获得的多孔炭，比表面积较小，孔洞分布不均，所含灰分和杂质较多。
2. 将生物质原料经过热解碳化后，经过研磨、过筛，得到含碳固体粉末。
3. 将含碳固体粉末与溶剂混合后，在溶剂中超声砂磨耦合超细化处理得到超细碳粉体。
4. 超细碳粉体经过碱煮、水洗、干燥后获得高纯固体碳粉体。
5. 高纯固体碳粉体在保护气氛下加热活化，得到活化料。
6. 活化料经过水洗、酸煮、水洗、干燥，得到生物质多孔纳米材料。
通过这种方法制备的生物质分级多孔碳材料具有孔结构可调、高比表面积、高导电性和高化学稳定性等优点，可用于电化学能源存储和转化、传感器和吸附等领域。
此外，这种方法工艺简单、绿色、易于量产，可精确调控介孔/微孔结构，在发展生物质原料方面的适应性广，为农业废弃物的综合利用提供技术方案。
多孔生物炭制备
多孔生物炭制备以多孔生物炭制备为标题，我们将探讨多孔生物炭的制备方法以及其在环境保护和农业领域的应用。
一、多孔生物炭的制备方法多孔生物炭是一种由生物质经过热解和炭化而制得的炭材料。
其制备方法主要包括以下几个步骤：1. 原料选择：多孔生物炭的制备原料可以是各种生物质，如木材、秸秆、植物残渣等。
选择适合的原料对于制备高质量的多孔生物炭至关重要。
2. 碳化热解：将生物质原料加热至高温，使其热解产生固体炭和气体产物。
在热解过程中，通过调节温度和保持适当的气氛，可以控制炭化过程中的物理和化学性质，从而获得所需的多孔结构。
3. 活化处理：在碳化热解后，可以通过活化处理进一步增加多孔结构。
活化处理可以使用化学方法或物理方法进行，如碱活化、酸活化、水蒸气活化等。
这些活化方法能够增加生物炭的比表面积和孔径分布，提高其吸附性能和催化活性。
4. 粉碎和筛分：经过碳化热解和活化处理后的多孔生物炭需要进行粉碎和筛分，以获得所需的颗粒尺寸和均匀性。
二、多孔生物炭的应用多孔生物炭具有很多优良的性质，因此在环境保护和农业领域有着广泛的应用。
1. 环境污染治理：多孔生物炭具有良好的吸附性能，能够吸附和去除水中的有机物、重金属和有害气体。
因此，它被广泛应用于废水处理、大气污染治理等领域。
同时，多孔生物炭还能够改善土壤的保水性和通透性，减少土壤中的有害物质含量，用于土壤修复和污染物的吸附。
2. 农业改良：多孔生物炭具有优良的保水性和吸附性能，可以改善土壤的肥力和水分保持能力。
同时，多孔生物炭中的孔隙结构有利于土壤微生物的生长和根系的伸展。
因此，多孔生物炭可用作土壤改良剂，提高农作物产量和土壤质量。
3. 能源利用：多孔生物炭是一种可再生能源，具有高热值和低排放的特点。
可以作为生物质能源的替代品，用于发电、供热等领域。
同时，多孔生物炭还可以用于制备电池材料和电容器材料，具有很大的应用潜力。
总结：多孔生物炭的制备方法包括原料选择、碳化热解、活化处理、粉碎和筛分等步骤。
多孔炭材料造孔方法
多孔炭材料造孔方法
多孔炭材料是一种具有广泛应用前景的材料，其制备方法主要包括物理法、化学法和生物法等。
其中，物理法包括模板法、高温炭化法和硬模压制法等，化学法包括化学气相沉积法、溶胶-凝胶法和炭化-活化法等，生物法包括微生物法和植物法等。
模板法是制备多孔炭材料的常见方法之一，其原理是利用模板的空隙形成孔隙结构。
常见的模板包括硬模板和软模板，硬模板常用的材料包括SiO2、Al2O3和TiO2等，而软模板则常用聚合物、胶体和生物质材料等。
制备过程包括将模板与碳源混合后炭化，再将模板去除。
高温炭化法是利用高温将碳源炭化成多孔炭材料。
该方法制备的多孔炭材料具有较高的表面积和孔容，但炭化温度较高，易导致材料的结构损失。
化学气相沉积法是利用气相反应在基底上沉积多孔炭材料，其中的化学反应可通过调节反应条件实现结构控制。
溶胶-凝胶法是将溶胶液体制成凝胶，再炭化制成多孔炭材料，与化学气相沉积法相比，其制备过程简单，但需要较长的制备时间。
炭化-活化法是将碳源进行炭化后，在高温下和气体(如水蒸气和二氧化碳)反应，产生孔隙结构，其制备过程简单，但制备条件较为苛刻。
生物法是利用微生物或植物为碳源进行多孔炭材料的制备。
微生物法利用微生物在生长过程中产生的多孔结构，而植物法是利用植物
的细胞壁或纤维素等天然的多孔结构为碳源制备多孔炭材料，具有可持续性和环保性等优点。
总之，多孔炭材料的制备方法多种多样，需要根据具体应用场景选择合适的制备方法。
多孔碳材料的制备
多孔碳材料的制备多孔碳材料是一种具有高度孔隙结构的碳材料，具有广泛的应用前景。
它具有较大的比表面积和孔隙体积，不仅可以用于吸附材料、电容器电极材料、催化剂载体等领域，还可以应用于能源存储、环境污染处理、生物医学等领域。
多孔碳材料的制备方法多种多样，其中常见的方法包括模板法、溶胶-凝胶法、碳化法等。
下面将针对这些方法进行详细介绍。
第一种制备多孔碳材料的方法是模板法。
模板法是利用一种模板物质作为模板，在其周围构筑碳前体物质，经过炭化或焙烧后去除模板物质得到多孔碳材料。
常用的模板物质有聚苯乙烯微球、硅胶、氧化铁纳米颗粒等。
这种方法制备的多孔碳材料具有孔隙结构规整、孔径均一的特点。
第二种制备多孔碳材料的方法是溶胶-凝胶法。
溶胶-凝胶法是将适当溶剂中的碳前体物质溶胶通过凝胶反应生成凝胶体，再经过干燥和焙烧等处理得到多孔碳材料。
这种方法制备的多孔碳材料具有孔隙结构可调控、比表面积较大的特点。
第三种制备多孔碳材料的方法是碳化法。
碳化法是将含碳物质经过高温热解或炭化处理得到多孔碳材料。
常用的碳化物包括聚合物、天然有机物和无机化合物等。
这种方法制备的多孔碳材料具有孔隙结构可调控、热稳定性好的特点。
在实际制备多孔碳材料的过程中，还可以通过调控碳前体物质的种类、添加助剂以及控制炭化或焙烧条件等方法来改变多孔碳材料的孔隙结构和性能。
例如，可以通过选择不同的碳前体物质和不同的碳化温度来调控多孔碳材料的孔径和孔隙分布。
多孔碳材料的制备方法多样化，可以根据不同的需求选择合适的方法。
随着科学技术的不断进步，人们对多孔碳材料制备方法的研究也在不断深入，相信未来会有更多创新的制备方法出现，为多孔碳材料的应用提供更多可能性。
多孔炭材料造孔方法
多孔炭材料造孔方法多孔炭材料是一种应用非常广泛的材料，其具有高比表面积、可调孔径、高稳定性等特点，因此在能源、环保、催化等领域都有着广泛的应用。
而多孔炭材料的制备方法也是非常复杂多样的，本文将介绍几种常见的多孔炭材料造孔方法。
1. 化学气相沉积法化学气相沉积法（CVD）是一种利用气态物质在高温和低压下分解和沉积在基体表面的方法。
通过使用不同的前驱体和反应条件，可以制备具有不同孔径和孔型的多孔炭材料。
CVD法主要适用于制备高温下稳定的多孔炭材料。
2. 碳化法碳化法是一种通过在高温下热处理碳源来制备多孔炭材料的方法。
碳源可以是天然材料如木材、植物、煤等，也可以是碳化合物如聚丙烯、聚苯乙烯等。
在高温下，碳源会发生碳化反应，形成多孔碳材料。
碳化法制备的多孔炭材料具有较高的孔隙度和比表面积。
3. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种通过水解和缩合反应形成凝胶，再通过高温处理制备多孔炭材料的方法。
在溶胶-凝胶法中，有机或无机前驱体通常被溶解在溶剂中形成溶胶，并经过水解、缩合反应形成凝胶。
经过干燥和高温处理后，凝胶转化为多孔炭材料。
溶胶-凝胶法制备的多孔炭材料具有高度可调的孔径和孔型，并且具有较高的比表面积。
4. 模板法模板法是一种通过有机或无机模板来制备多孔炭材料的方法。
模板可以是聚合物、天然有机物、金属或无机颗粒等。
在模板法中，模板先和碳源混合，然后经过炭化或碳化过程来去除模板，形成多孔炭材料。
模板法制备的多孔炭材料具有可调的孔径和孔型，并且可以制备出复杂的孔道结构。
综上所述，多孔炭材料的制备方法非常多样化，每种方法都有其优点和适用范围。
在实际应用中，需要根据具体需求选择最适合的制备方法来制备高质量的多孔炭材料。
多级孔碳的制备
山东理工大学毕业论文题目：多级孔炭的制备申请山东理工大学工学学士学位论文学院：化学工程学院专业：化学工程与工艺姓名：曲丽华学号：0612202124指导教师：邢伟毕业论文时间：二О一零年三月一日～六月二十日共十六周摘要电化学超级电容器具有诸多的优点,如高的充放电效率、长的循环寿命和快速的充放电能力等，近年来受到广泛的关注。
它可以应用于很多领域，数字通讯设备、电动汽车、燃料电池、移动电话等。
众所周知,电极材料是影响超级电容器性能的决定性因素之一。
多孔炭材料的化学性能稳定，比表面积和孔结构可以控制，原料价格相对低廉，目前仍然被人们认为是最有可能被广泛使用的电极材料。
本文采用硬模板法和自组装法合成多级孔炭，并将合成的多级孔炭材料制备成工作电极。
主要采用了循环伏安法、恒电流充放电法、交流阻抗以及透射电子显微镜等测试手段对超级电容器的电极活性物质进行了研究，将其电化学性能与材料的孔结构相关联，得出一系列有益的结论。
关键词：超级电容器，多级孔炭，硬模板法，自组装法。
ABSTRACTElectrochemical supercapacitor has many advantages，such as high efficiency, long cycle life cycle and rapid charging and discharging ability, etc，has attracted lots of attention in recent years. It can be applied to many fields, digital communication equipment, electric vehicles, the fuel cell, mobile phone, etc. As is known to all, electrode material is the decisive factor supercapacitor performance of porous materials. Because the price is relatively cheap, physical and chemical properties stable, still can be considered the most widely used electrode materials.In this text we use hard templates and self-assembly to synthetize porous charcoal, and then made as working electrode .We mainly use cyclic voltammetric measurements(CV), constant charge/discharge measurements, impedance spectrum,transmission electronic microscope measurements(TEM)to study the electrode active material of supercapacitor，associated the electrochemical properties of materials with the structure of porosity，in order to obtion a series of beneficial conclusion.Keywords: electrochemical capacitor，hierarchical porous carbons，hard templates，self-assembled method.目录目录摘要 (I)ABSTRACT(英文摘要) (II)目录............................................................... I II 第一章引言.................................................... - 1 -1.1多孔炭的定义、分类及研究背景............................. - 1 -1.2多孔炭材料的主要结构特征................................. - 1 -1.3多孔炭材料的制备方法...................................... - 2 -1.3.1硬模板法制备多孔炭.................................. - 2 -1.3.2自组装法制备多孔炭.................................. - 2 -1.4电化学电容器的定义及研究背景.............................. - 2 -1.5电化学电容器的分类及优点................................. - 3 -1.6多级孔炭材料的概述....................................... - 4 -1.7本课题的目的和意义....................................... - 5 - 第二章实验方法................................................. - 6 -2.1试剂和仪器................................................ - 6 -2.1.1主要试剂............................................ - 6 -2.1.2主要仪器............................................ - 6 -2.2多级孔炭的制备........................................... - 7 -2.2.1硬模板法制备(PVDF为炭源)............................ - 7 -2.2.2自组装法制备(酚醛树脂为炭源)......................... - 8 -2.3材料表征.................................................. - 9 -2.4电极制备和电化学性能的测试................................ - 9 -第三章结果与讨论............................................. - 11 -3.1材料表征................................................. - 11 -3.2基于循环伏安的电化学性质................................. - 14 -3.3恒流充放电测试.......................................... - 15 - 第四章结论................................................... - 20 - 参考文献....................................................... - 21 - 致谢........................................................... - 23 -第一章引言1.1多孔炭的定义、分类及研究背景多孔炭材料(Porous Carbon Material)是指具有不同孔隙结构的新型炭素材料。
多孔碳材料的制备及应用研究
多孔碳材料的制备及应用研究随着环境污染和资源短缺问题的日益严重，绿色、环保、高效的新材料的研究和应用成为了当今科学研究的热点之一。
多孔碳材料已经成为材料科学领域中非常重要的一类材料，因其特殊的孔道结构和优越的性能，已经得到了广泛的应用。
一、多孔碳材料的制备多孔碳材料的制备方法很多，常用的方法可以分为两大类：物理法和化学法。
1.物理法物理法制备多孔碳材料主要有以下几个方法：高温炭化法、模板法、氧化石墨化学气相沉积法等。
高温炭化法是使用含碳高的有机废弃物或碳质材料，在高温炉内进行氧化炭化处理，产生多孔碳材料。
这种方法操作简单，制备多孔碳材料的孔径分布范围也较广。
模板法是在有机或无机模板的作用下，通过多种途径制备多孔碳材料的一种方法。
有机模板法常用的有大豆、手机、木质素等有机材料；无机模板法常用的有SiO2、Al2O3等无机材料。
这种方法制备的多孔碳材料孔径分布相对较窄，但孔道结构有序，特点明显，也较为常用。
氧化石墨化学气相沉积法（CVD）是采用简单的石墨化学反应以及金属或氧化物的还原处理，制备多孔碳材料。
这种方法可制备孔径更为单一和大小可控的多孔碳材料。
2.化学法化学法制备多孔碳材料主要有以下几个方法：热解膨胀法、反应物改性法、溶胶凝胶法等。
热解膨胀法是利用具有不相容性的两种高分子在高温环境中的相分离，热解后膨胀形成多孔材料的方法。
反应物改性法是在石墨烯结构中加入不同反应物，产生孔结构和活性位点，制备多孔碳材料。
这种方法制备的多孔碳材料孔径分布广，但孔内结构复杂，难以控制。
溶胶凝胶法是一种利用溶胶凝胶过程中的相转变，控制多孔材料孔道结构和孔径的方法。
二、多孔碳材料的应用多孔碳材料因其独特的孔道结构和优越的性能，在多个领域有重要的应用。
1.吸附分离多孔碳材料在吸附分离中的应用非常广泛，能够吸附稠化剂、油漆、碳黑、杂质和溶液中某些污染物等物质，具有高的吸附能力、高的表面积和可重复使用的特点。
例如，多孔碳材料可以用于对“三废”中的有害气体、有机废水和废弃农药等物质进行吸附分离。
一纳米氧化镁为模板一步法制备多级孔炭材料解读
第一部分文献综述1.1 多孔炭的研究背景与意义伴随着全球经济的快速发展和科技水平的进步，煤、石油和天然气等化石燃料消耗逐年增加，日渐枯竭，并且化石燃料的利用造成严重的环境污染，如温室效应、酸雨、大气颗粒物污染、臭氧层破坏和生态环境破坏等。
人类正面临着资源短缺、环境污染、生态破坏等迫切需要解决的问题，全球经济和会的可持续发展也面临着严峻的考验。
人们迫切需要开发利用新能源和可再生清洁能源来解决日趋短缺的能源问题和日益严重的环境污染。
化学储能装置具有使用方便，性能可靠，便于携带，容量、电流和电压可在相当大的范围内任意组合和对环境无污染等许多优点，在新能源技术的开发和利用中占有重要地位。
储氢、储锂和超级电容器等储能装置的电极材料的研究成为材料研究中的热点。
在所有的储能材料中，多孔碳材料由于具有大的比表面积，均一的孔径分布，孔结构可调等优点，是迄今为止最理想的储能材料。
除此之外，多孔碳材料由于具有均匀的孔径分布，吸收储存气体和液体性能也非常优秀，常被应用于环境保护，制药和化工等领域，作为有毒气体和液体的净化吸收剂。
在近十几年间，有关多孔碳材料方面的报告和论文大批量在国际会议和国际学术刊物上发表，表明多孔碳材料已经成为当今科学界的研究热点。
经过科研人员多年不断的试验研究，大批量孔径尺寸分布均匀且可以调控、结构组成可以变化、排列样式和孔道形态多种多样的多孔碳材料可以通过各种各样的合成方法被制备出来。
尽管人们已经取得了许多成果，但是多孔碳材料仍然存在许多不足，需要我们去探索和解决，多孔碳材料的性能与实际应用有一定的差距，也有待进一步提高。
未来仍然需要我们不断努力去开发成本低，制备过程简单，性能优越的多孔碳材料，并不断推进在电化学领域的广泛应用。
1.2 多孔碳材料概述多孔碳材料是指一种具有多孔性结构的含碳物质，具有高度发达的孔隙结构，大的比表面积，且其孔径可以根据实际要求进行调控。
多孔碳材料主要包括普通活性碳、超级活性碳（高比表面积活性炭）、活性炭纤维、泡沫碳材料、碳分子筛等不同形态的碳材料。
多孔碳材料的制备
多孔碳材料的制备一、本文概述多孔碳材料是一种具有丰富孔隙结构和优异性能的新型碳素材料，因其在能源、环境、催化等多个领域中的广泛应用而备受关注。
本文旨在全面概述多孔碳材料的制备方法，包括物理法、化学法以及模板法等，并深入探讨各种制备方法的优缺点，以及多孔碳材料在不同领域的应用现状和发展前景。
通过本文的阐述，读者可以更加深入地了解多孔碳材料的制备技术和应用领域，为多孔碳材料的进一步研究和应用提供有价值的参考。
二、多孔碳材料的制备原理多孔碳材料的制备主要基于碳前驱体的热解或碳化过程，以及后续的活化处理。
制备原理主要涉及碳源的选择、热解或碳化过程、活化方法以及孔结构的调控等方面。
碳源的选择是多孔碳材料制备的关键。
常见的碳源包括天然生物质（如木材、椰子壳、动物骨骼等）、合成高分子（如酚醛树脂、聚丙烯腈等）以及碳纳米材料（如石墨烯、碳纳米管等）。
这些碳源在热解或碳化过程中，能够形成碳骨架，为多孔结构的形成提供基础。
热解或碳化过程是多孔碳材料制备的核心步骤。
在热解过程中，碳源中的有机物在缺氧或低氧环境下发生热分解，生成碳和水、二氧化碳等小分子。
碳化过程则是在更高温度下，进一步去除碳中的杂质，提高碳的纯度。
这两个过程都能够形成多孔结构，其中孔的大小和分布取决于碳源的种类、热解或碳化温度以及气氛等因素。
活化处理是多孔碳材料制备过程中的重要环节。
活化方法主要包括物理活化和化学活化。
物理活化通常使用二氧化碳或水蒸气作为活化剂，在高温下与碳发生反应，刻蚀碳表面，形成多孔结构。
化学活化则使用酸、碱或盐等化学试剂，与碳源在较低温度下发生反应，生成多孔碳材料。
活化处理能够有效地调控多孔碳材料的孔结构和比表面积，提高其吸附性能和电化学性能。
孔结构的调控是多孔碳材料制备过程中的关键技术。
通过调整碳源、热解或碳化条件、活化方法等因素，可以实现对多孔碳材料孔结构的有效调控。
例如，改变碳源的种类和粒径可以影响孔的大小和分布；调整热解或碳化温度可以改变孔的形貌和连通性；选择不同的活化剂和活化条件可以调控孔的数量和比表面积等。
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第一部分文献综述1.1多孔炭的定义、分类及研究背景根据国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)的定义，多孔炭材料(porous material) 可根据它们孔直径的大小分为三类：孔径大于50nm的孔为大孔材料(macropore material)，孔径小于2nm 的孔为微孔材料(micropore material)，孔径介于2nm～50nm的孔为介孔材料(mesopore material)[1]。
多级孔炭材料是指具有不同孔隙结构的新型炭素材料。
多孔炭材料具有耐高温、耐酸碱、导电、导热等一系列特点，已在气体和液体的精制与分离以及电子工业、生物材料和医学等诸多领域得到广泛的应用。
随着现代科技的飞速发展，多孔炭材料的应用领域在不断的扩展，近年来还陆续开发了适用于各种不同应用目的的多孔炭材料新品种，除作为吸附、分离材料外，作为催化材料、电子能源材料、生物工程材料的应用也陆续得到研究和开发，人们对于多孔炭材料的要求也越来越高。
多孔炭材料是一种最常用的吸附剂，通常由煤炭或木材加工而成。
多孔炭材料以其价廉和性能优越，在废水处理、吸附催化、催化载体、超级电容器等[2~6]方面的应用越来越广泛，市场需求也越来越大，而原有原材料煤炭和木材随着世界资源的紧张和森林保护意识的加强，显得尤为短缺。
因此，开发新型原材料制备多孔炭材料是当前研究的的热点方向，国内外学者探讨了采用椰壳、果皮、废旧轮胎、沥青等制备多孔炭材料[7~10]，取得了一定的成果。
具有不同孔径分布和比表面积的多孔炭作为一种功能性炭材料，其在不同领域的用途也比较明确。
以微孔(<2nm)为主的多孔炭材料主要吸附小分子，可用于气体分离与纯化、吸附储存天然气等；以中孔(2~50 nm)为主的多孔炭材料能够吸附大分子，可担载触媒、药剂，用作化学反应的催化剂或催化剂载体、离子交换材料和电极材料等；以大孔(>50 nm)为主的多孔炭材料可担载细菌、微生物，使无机炭材料发挥生物机能，还可用作绝热、隔音材料等[11]。
由于微电子技术的迅猛发展，作为后备电源的陶瓷或铝电解物理电容已难以满足日益增长的储能要求。
在此背景下，功率密度和能量密度介于传统电容器和二次电池的新型储能元件超级电容器(Supercapacitor)得到快速发展。
超级电容器的容量可达到法拉级甚至数万法拉。
此外，还兼有工作温度范围宽，无污染，长寿命，可小型化等优良特性，在介于可充电池和传统电容器的领域应用前景广阔。
超级电容器主要分为炭基超级电容器（双电层电容器）和金属氧化物以及导电聚合物为电极材料的准电容电容器。
炭基超级电容器是利用炭极化电极/电解液界面形成双电层实现静电储能的，此文主要研究超级电容器的电极材料——多级孔炭。
1.2多孔炭材料的主要结构特征多孔炭材料具有孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强、化学稳定性好、易再生等优良性能，是电化学电容器的首选电极材料。
通常具有以下特点。
（1）易加工成各种形状的电极；（2）价格较低，来源丰富；（3）在很宽的温度范围内性能稳定；（4）不含有重金属，对环境污染很小；（5）在各种酸碱溶液中其化学性能稳定；（6）其比表面积和孔结构可以控制，并且能吸附大量的电解质溶液。
1.3多孔炭材料的研究现状一般来说，制备多孔炭的材料可分为有机高分子聚合物[12]、各种煤及衍生物[13~14]和天然高分子化合物等[15~16]。
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[17]。
Zhou等[18]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[19]。
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[20]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。
考察了炭化温度对炭材料性能的影响，得出炭化条件中炭化终温对炭膜性能的影响较大。
聚酰亚胺(PI)及其衍生物是一类含有酰胺基的聚合物，可由酸酐和二胺基二苯醚反应制得。
许多研究者采用聚酰亚胺及其衍生物作为成炭前驱体[21]。
Jones和Koros[22]使用聚酰亚胺作为多孔炭的前驱体制备得到的炭薄膜不仅具有良好的力学性能而且具备良好的分离特性。
Youn KookKim等[23]报道了使用聚酰亚胺和聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)的混合物作为前驱体制备得到多孔炭材料。
新加坡国立大学的Tai ShungChung课题组[24]采用聚酰亚胺的衍生物P84作为炭的前驱体，在550℃~800℃的温度下热解得到的多孔炭材料对二氧化碳和甲烷具有良好的分离效果。
考察了热解温度对材料的气体分离选择性的影响，实验表明当热解温度为800℃时材料的气体分离选择性最好。
此外，Jin Liu等[25]在聚酰亚胺基体中加入环糊精，通过环糊精的热解提高炭材料的微孔体积取得了较好的效果。
当环糊精的含量从0%提高到15%时，微孔的体积从0.15cm3/g提高到0.24cm3/g。
聚糠醇由于较易于炭化被广泛用于多孔炭材料的制备中。
Jin Liu等[26]将糠醇聚合得到聚糠醇并在550℃炭化得到多孔炭。
制备的过程中加入三嵌段聚合物P123[(EO)20(PO)70(EO)20]作为模板，得到的多孔炭颗粒大小在25 nm~90 nm。
Soares等[27]将聚糠醇沉积在活性炭上，然后在800℃的温度下炭化2 h得到的多孔炭材料可用于分离空气中的二氧化碳气体。
Bessel等用NaY、β(NH4型)和ZSM-5(NH4型)沸石作模板，在以丙烯睛为炭前驱体制备的多孔炭中，Y沸石炭的产率为最高(7.8%)，而以糠醇为炭前驱体制备的多孔炭中，β俘沸石炭的产率为最高(64.4%)。
在3种沸石材料中：对于ZSM-5沸石，无论采用何种炭前驱体，其多孔炭产率都为最低。
另一方面，Kyotani等在用Nay、Hβ、ZSM-5(NH4型)、丝光(H型)和KL沸石作模板的研究中，用丙烯作前驱体使用化学气相沉积所制备的多孔炭中ZSM-5炭的产率最高，而用糠醇为前驱体液相浸渍时ZSM-5炭的产率要比其他沸石低很多。
与产率相比.沸石类型对所合成的多孔炭的比表血积和孔径则有很大影响。
Jon Arvid Lie等[28]采用纤维素作为炭的前驱体制备多孔炭材料，得到的炭材料制备工艺简单，成本较低。
Renán Ar-riagada等[29]使用木材作为炭源制备能够用于分离的多孔炭薄膜材料。
考察了热解炭化温度对分离效果的影响。
结果表明，炭材料中微孔孔径的分布具有很强的温度依赖性。
当炭化温度高达1000℃时，对于CH4/CO2的分离效果较好，在较低的炭化温度下(700℃)对于CH3/CH3H8的分离效果较好。
Tang等[30]在高温气冷堆燃料元件的制备过程中以C2H2、CH6和CH3SiCl3为原料，采用了CVD法在UO2核芯的表面包覆了95μm厚的疏松热解多孔炭层、内致密热解炭层、碳化硅层和外致密热解炭层，构成了微球形的复合压力容器，能够包容燃料和裂变产物，阻挡裂变产物的释放。
何明等[31]采用了浸渍涂层法制备了具有核壳结构的内部为天然微晶石墨，外部为1μm~2μm酚醛树脂多孔炭层的包覆石墨，这种粉体可以在很大程度上降低了天然石墨的不可逆容量。
Kyotania等采用具有二维开放结构的片层状蒙脱石作为模板合成炭材料[32~33]，他们尝试在蒙脱石的片层间插入聚丙烯腈，然后通过高温热处理或炭化来制备二维石墨[34]；在随后的研究中进而发现，当选用典型的非石墨化和石墨化炭前驱体聚糠醇和聚醋酸乙烯酯在蒙脱石的片层间进行炭化时，得到的炭具有相似的性质。
产品炭具有膜状外形，并且在微观上具有小的六角网状单元的乱层堆积结构。
他们认为这种特殊的结构归因于在MONT二维空间所发生的独特的炭化过程。
对在MONT层面间获得的聚糠醇炭和聚醋酸乙烯酯炭的两类炭产品的进一步热处理发现，如果炭化过程完全被控制在分子水平，那么目标炭产物的石墨化程度与初始原料的类型无关，也就是说这种特殊的铸型炭化方法能使任何一种聚合物转变成石墨材料。
在此基础上，他们又开发了以Y型沸石为模板制备三维新型多孔炭材料的技术方法，所得到的多孔炭材料亦称作铸型炭。
1.4多级孔炭材料的制备方法1.4.1烟渣基多孔炭材料的制备中国是一个烟草大国，拥有众多的卷烟厂、复烤烟叶厂，每年产生大量的废烟叶、烟灰、烟杆这为多孔炭材料的制备提供了大量原料来源。
通过化学活化法制备烟渣基多孔炭材料，采用IR、BET和EA等手段对其进行了表征，考察了其甲基橙等温吸附和动力学吸附性能。
红外图谱表明，炭材料中含有大量的含氧基团，材料的孔径大小和比表面积随着炭化时间的增加而增加，甲基橙等温吸附和动力学吸附研究发现，以ZnCl2为活化剂，活化时间3h时，炭材料比表面积达到624.94m2/g，平均孔径为14.33nm，甲基橙的吸附容量为154.3mg/g。
其制备过程为:（1）烟渣的制备。
称取烟叶1000g，烘干，粉碎，取粉末100g置于圆底烧瓶中，加入75%乙醇300ml回流提取，过滤，干燥后再加入200ml正己烷提取茄尼醇，过滤，干燥，得烟渣备用。
（2）多孔炭材料的制备。
称取一定量烟渣于坩埚中，在氮气(纯度>99% )气氛下，加入适量的不同种类活化剂ZnCl2、Fe(NO3)3、NaOH进行炭化和活化，炭化温度400℃，升温速度10℃/min，通氮速率200~300ml/min，恒温1~4h，然后冷却至室温，抽滤，用去离子水洗至中性，60℃真空干燥后备用。