多孔碳材料的研究进展ppt课件
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。
多孔材料发展、制备与构效关系
图文速递
总结与展望
本文综述了通过聚合物制备多孔碳材料的相关研究进展, 主要包 括多孔碳材料的制备方法、杂原子掺杂的多孔碳材料以及几种 不同形貌的多孔碳材料。近些年来, 通过对聚合物结构、分子量 的调控制备多孔碳材料的方法, 实现了较高的碳化率和对碳材料 的物理化学性质的精确调控。从而制备出了一系列高性能的多 孔碳材料, 应用于环境催化、能源转化等领域。但是，仍然存在 以下必须解决的问题： （1）合成聚合物作为前驱体制备多孔碳的产率比较低(<20%)。 （2）虽然环境友好的生物质材料作为碳源成本比较低，但是得 到的碳材料的电导率也比较低。 （3）离子聚合物, 如聚离子液体作为碳源制备的碳材料具有短 程有序性、高的电导率、可调控的孔径的优点，但是其成本较 昂贵。 （4）通过杂原子掺杂改变碳材料的理化性质而具有丰富的优异 特性，但是具体的机制尚不明确。 （5）虽然碳膜材料在电催化和能源转化领域更具实际应用前景， 但是制备方法有限。 总之, 通过降低碳材料成本、可控制备多孔碳膜, 以及深入的研 究杂原子掺杂机制和拓展碳膜材料的应用领域，将成为未来多 孔碳材料研究和发展的方向。
图文递
3.2、硼掺杂
图7、B掺杂的有序介孔碳材料的形成
硼(B)作为第三主族唯一的非金属元素，具有3个价电子， 一直被探索作为碳或金刚石材料的替代品, 以促进抗氧化 性、锂离子插入和电化学行为的性质。当硼取代碳原子 进入碳晶格中时充当电子受体，导致费米能级向导带移 动并因此改变碳材料的电子结构。其中，低浓度硼掺杂 对碳表面氧的化学吸附具有催化作用，使碳表面容易引 入与氧官能团相关的氧化还原反应。
成果介绍
近日，南开大学的王鸿 研究员（通讯作者）团队鉴于多孔碳材 料具有高比表面积、可调控理化性质、价廉易得等优点而在催 化、 吸附分离等领域具有巨大应用前景。在本文详细综述了目 前多孔碳材料的主要制备方法以及聚合物作为碳前驱体，其结 构与多孔碳材料结构与性能之间的构效关系。最后，对多孔碳 材料的未来发展方向做了进一步的展望。
碳纳米管支撑多孔碳超级电容器极材料-PPT精品文档
电化学性能
AMCNTs网支撑的多孔碳表现出优良的电 化 学性能。当电流密度为0.5A/g时, PCA CNTs质量比电容210F/g，远远高于MW CNT s/C(145F/g)和AMWCNTs/PC(156F/g) 。 即使电流密度增加到5A/g时,材料的比电
容仍然能达到168F/g,说明材料具有很好
Supercapacitor
赝电容电容器
Hybrid
混合电容器
赝电容材料与双电层电容材料复合 碳基材料 赝电容材料 较高 较窄（<1V) 较差 较高
比电容（Ccell) 电化学窗口(V) 循环稳定性 价格
较低 较宽(>3V) 较好 相对便宜
能量密度计算公式：E = 1/2CcellV2
在有机电解液中，碳材料与赝电容材料相比具有较宽的工作势窗(3V),从而得到高的能量密度和功率密度
1712 m2 g-1 for PCACNTs-30-14 图1. PCACNTs-30-14样品不同放大倍数的透射电镜图
图3. PCACNTs-30-14样品的吸附脱附等温线和材料的孔径分布曲线图
11
Yu Fu, Li Sun, Chungui Tian,* Haibo Lin*. Mater. Res. Bull., 2019, 48, 4491–4498
2
实验基本思路
目前几种主要碳材料及其电化学性能
Materials Active carbon SBET (m2 g-1) 1000-3500 Capacitance (F g-1) 70 Electrolyte 6M KOH Ref. Carbon, 2019, 48
Mesoporous carbon
碳纳米管支撑多孔碳超级电容器 电极材料
多孔碳材料的制备及其储能性能研究
多孔碳材料的制备及其储能性能研究随着能源危机的加剧，储能技术成为解决环境和能源问题的一项关键技术。
多孔碳材料因其优异的电化学性能而成为超级电容器、锂离子电池、燃料电池等储能器件的重要材料。
本文将介绍多孔碳材料制备方法和储能性能研究进展。
1. 多孔碳材料制备方法多孔碳材料的制备方法包括模板法、碳化物法、水热法、物理气相沉积法等。
其中模板法得到的多孔碳材料具有孔径分布均匀、孔径大小可调、孔壁光滑等优点。
碳化物法制备的多孔碳材料具有高比表面积和丰富的孔洞结构。
水热法可以制备出纳米级多孔碳材料，具有较高的电容性能。
2. 多孔碳材料的储能性能研究进展多孔碳材料的电容性能受孔径大小、孔隙度和孔道结构等多种因素影响。
近年来，研究人员通过控制碳材料的孔径、孔隙度和孔道结构等因素，进一步提高了多孔碳材料的储能性能。
（1）孔径大小对储能性能的影响理论上，孔径越小，电容越大。
实际研究发现，孔径在1~10 nm的多孔碳材料具有优异的电容性能。
当孔径小于1 nm时，电容反而降低。
这是因为孔径过小时，电解液中离子难以进入孔道内部，导致电容降低。
（2）孔隙度对储能性能的影响孔隙度是指多孔碳材料的空隙占比。
一般来说，孔隙度越高，电容越大。
然而，孔隙度过高会导致电容下降。
这是因为孔道结构过于分散，导致离子传输困难，影响电容性能。
（3）孔道结构对储能性能的影响多孔碳材料的孔道结构包括直孔、弯曲孔、分支孔等。
研究表明，弯曲孔和分支孔有利于离子传输，提高了多孔碳材料的储能性能。
3. 多孔碳材料未来研究方向多孔碳材料的制备和储能性能研究在过去几十年里得到了飞速发展。
未来，需要进一步探究多孔碳材料的制备新方法、孔道结构调控机制、化学修饰等，提高多孔碳材料的储能性能。
同时，多孔碳材料在储能器件中的应用仍需加强探索，拓宽多孔碳材料的应用领域。
4. 结论多孔碳材料制备方法多种多样，不同制备方法得到的多孔碳材料具有不同的孔径大小、孔隙度和孔道结构等，影响了其储能性能。
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。
酚醛树脂基多孔炭的制备及应用研究进展_黄婧
温度下用水蒸汽活化法制备了一系列不同活化时间的 酚醛基多孔炭纤 维 ， 平 均 孔 径 分 布 在 １． ４～１． ９ ３ｎ ｍ ４
２ ２ ／ ／ 。 之间 ， 比表面积可由１ ２ ５ ３ ０ｍ ８ ５ｍ ｇ增大至２ ｇ ［ １ ０］ 通 过 甲 醛、 苯 酚 聚 合 制 备 酚 醛 树 脂， 后经 Ｓ ｉ ｎ ｈ等 ｇ ２ ／ Ｃ Ｏ ０ ０ ０ｍ ｇ 的 微 孔 炭。 ２ 活化 得 到 比 表 面 积 超 过 ３ ［ １ １］ Ｌ ｉ等 将线性酚 醛 树 脂 微 球 在 空 气 中 预 氧 化 处 理 后 再进行水蒸气活化 。 预氧化处理使树脂微球表面增加
剂， 可以对所制 备 多 孔 炭 的 孔 径 分 布 进 行 调 控 。 因 为 造孔剂大都是 热 不 稳 定 的 物 质 ， 其中部分造孔剂还能 与母体聚合物发 生 化 学 反 应 ， 它们在热解过程中分解 成气相产物并 从 活 性 炭 中 逸 出 ， 从而在炭基体中留下
２ ６］ 。 该方法 能 有 效 对 活 性 炭 造 孔 ， 大量的孔隙 ［ 增加中 。 孔率 常用作造 孔 剂 的 物 质 大 多 是 一 些 热 塑 性 树 脂 ，
５］ 。 其 中 ＫＯＨ、 学 反 应 活 化 制 备 多 孔 炭 的 方 法［ Ｎ ａ ＯＨ、 Ｚ ｎ Ｃ ｌ ２ 为常用的活化剂 。 影响化学法所制备多
孔炭孔结 构 的 主 要 因 素 是 炭 前 驱 体 和 化 学 试 剂 的 比 例， 以及炭化温度等 。 一般情况下 ， ａ ＯＨ 活 ＫＯＨ 和 Ｎ 化能 使 活 性 炭 产 生 大 量 微 孔 ， ｌ Ｚ ｎ Ｃ ２ 活化能在相对低 的温度下得到 富 含 微 孔 和 中 孔 的 大 比 表 面 积 多 孔 炭 。
碳材料科学ppt课件
15
炭纤维 纳米管/树脂复合材料
炭微球 C/C复合材料
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金属填充富勒烯
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金刚石
金刚石薄膜
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1990年和1991年金刚石和C60分获Science明星分 子；
1996年 美国Rice大学 R F Curl R. E. Smalley
英国Sussex 大学 H. W. Kroto
—金属颗粒和金属线
2、碳纳米洋葱（实心和空心）
3、纳米碳管、石墨烯及其树脂基复 合材料
新型能源炭材料
4、介孔碳材料（有序，气凝胶）
1、Li+电池负极材料炭材料的设计
—炭基材料（天然石墨、树脂炭、碳管、石墨烯等）
2、大功率充放动力型锂电池电极材料 —纳米碳/金属复合材料
3、超级电容器电极材料
3
炭 微 球
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
要求： 1、有事请假； 2、课上认真听讲； 3、课上认真作笔记，课下找相关参考书复习； 3、不明白的地方一定设法弄明白。
报告题目：We and Carbon 11
第一部分 绪言
一、炭材料的多样性
1、碳的多样性
碳元素的产生； 太阳系产生热核反应中“碳、氮循环”； 地球上碳产生生物学、硅产生地学，碳是
20nm
HREM images of carbon encapsulated iron nanorods from YD heated at 480 ℃ in the presence of ferrocene content of 40.0 wt. %
碳素化学与工艺-多孔碳材料ppt课件.ppt
日本以双电层电容的应用为契机，加强对高吸附能力AC 的研究工作。关西热化学株式会社用KOH活化石油焦制备 出高比表面AC，并在1992年投产，商品牌号为 MAXS0RB。日本大阪煤气公司以中间相炭微粒为原料， 通过KOH活化制得了比表面积高达4000m2/g的AC。
病 原 体 侵 入 机体， 消弱机 体防御 机能， 破坏机 体内环 境的相 对稳定 性，且 在一定 部位生 长繁殖 ，引起 不同程 度的病 理生理 过程
原料来源
类别 植物类 煤类
品种
木材，木炭，椰子壳，果核，稻壳，纤维素， 纸浆废液等
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
病 原 体 侵 入 机体， 消弱机 体防御 机能， 破坏机 体内环 境的相 对稳定 性，且 在一定 部位生 长繁殖 ，引起 不同程 度的病 理生理 过程
主要内容
活性炭简介 活性炭结构 活性炭的制备 活性炭的应用
活性炭的基本性质 活性炭的国内外生产现状 高比表面积活性炭的研究进展
微晶结构、孔隙结构、表面化学官能团 活性炭表面形貌
原料来源 活化方法与工艺 活化机理
吸附材料 催化剂载体 储氢储电
病 原 体 侵 入 机体， 消弱机 体防御 机能， 破坏机 体内环 境的相 对稳定 性，且 在一定 部位生 长繁殖 ，引起 不同程 度的病 理生理 过程
国外AC工业起步较早，活性炭需求量也与日俱增。西方 一些方达国家在环保方面的人均活性炭需求量达到300400克/年·人。目前世界活性炭年消费量超过70万吨， 并以每年15%的速度递增长。
多孔碳材料的制备与性能研究
多孔碳材料的制备与性能研究多孔碳材料是一种具有广泛应用前景的新型材料，在能源储存和转换、环境污染治理、催化剂载体等领域有着重要的应用价值。
本文将重点介绍多孔碳材料的制备方法和性能研究进展。
一、多孔碳材料的制备方法多孔碳材料的制备方法多种多样，主要包括模板法、自组装法、碳化法和化学气相沉积法等。
在模板法中，通过在模板表面上沉积碳源，再通过热处理或化学处理去除模板，最终得到多孔碳材料。
这种方法可以制备具有高度有序和连续孔道结构的材料，但模板的制备和去模板过程的控制较为复杂。
自组装法通过控制分子或物质的相互作用，在溶液中形成具有特定结构的分子自组装结构，然后通过热处理将其转化为多孔碳材料。
这种方法简单、灵活，并且能够制备出具有调控孔径和孔隙结构的材料。
碳化法利用碳化前体经高温热处理，使其发生碳化反应生成多孔碳材料。
常用的碳化前体包括聚合物、天然有机物和金属有机框架等。
碳化法可以得到高孔隙度、孔径可调的多孔碳材料，但材料的孔径分布范围较窄。
化学气相沉积法通过在气相反应条件下，使气体中的碳源经热解生成碳沉积在基底上，形成多孔碳材料。
这种方法制备的多孔碳材料具有优异的结晶性和孔结构可调性。
二、多孔碳材料的性能研究多孔碳材料的性能研究主要包括孔结构特征、表面性质以及应用性能等方面。
多孔碳材料的孔结构特征包括孔径、孔隙度和孔道连通性等。
孔径大小直接影响材料的吸附和传质性能，较大孔径的材料适用于吸附较大分子物质，而较小孔径的材料则适用于吸附小分子。
孔隙度是指孔隙体积与总样品体积的比值，决定着材料的储存和传输性能。
孔道连通性是指多孔材料内孔道的连通情况，好的连通性能能够提高材料的气体分离性能。
表面性质是多孔碳材料的另一个重要性能指标，包括比表面积、气体分子在表面的吸附行为和表面化学性质等。
较大的比表面积有利于提高材料的吸附性能和催化活性。
气体分子在材料表面的吸附行为与材料的孔径和孔隙度有关，可以通过吸附实验进行表征。
超级电容器用多孔碳材料的研究进展共18页
超级电容器用多孔碳材料的研究进展
11、不为五斗米折腰。 12、芳菊开林耀，青松冠岩列。怀此 贞秀姿 ，卓为 霜下杰 。
13、归去来兮，田蜀将芜胡不归。 14、酒能祛百虑，菊为制颓龄。 15、春蚕收长丝，秋熟靡王税。
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❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
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。
玉米芯制备多孔碳材料的研究进展
玉米芯制备多孔碳材料的研究进展玉米芯作为一种廉价且易得的农业废弃物，在二十一世纪初期开始引起了人们的广泛关注。
通过科学的利用和综合开发，可以将其转化为高附加值的贵重物质。
在多孔材料的制备中，玉米芯也成为了一种重要的源材料。
本文将对玉米芯制备多孔碳材料的研究进展进行概述。
一、玉米芯做多孔碳材料的原理玉米芯中的纤维素、赖氨酸和天然油脂等成分，都可以用于制备多孔碳材料。
其中，纤维素是一种天然多糖，是多孔碳材料制备的主要成分。
在氧化过程中，纤维素被氧化成为含有羧基、酮基等官能团的物质，这些官能团与金属离子配对形成的化合物是多孔碳材料制备的有效前驱体。
经过一系列的处理步骤，玉米芯原料中的纤维素可以被转化为多孔的碳材料。
而多孔碳材料的介孔和微孔结构，也可以通过控制碳化条件、处理温度和时间等参数来实现。
此外，玉米芯中的赖氨酸和天然油脂的添加，可以提高多孔碳材料的比表面积和孔容。
二、玉米芯做多孔碳材料的制备方法玉米芯做多孔碳材料的制备方法可以分为物理法和化学法两种。
以下是常用的几种方法。
（一）热解法在高温下，玉米芯中的天然油脂和纤维素进行热解，生成碳化物和气体。
气体的流失会形成多孔结构，从而形成多孔碳材料。
这种方法不需要添加任何外源性材料，成本低廉。
但是，由于碳化程度不同，孔径大小和分布不均匀。
（二）化学活化法化学活化是指在玉米芯原料中加入化学活化剂，如盐酸、磷酸等，在高温下进行反应。
化学活化剂会引起纤维素的部分脱羧和脱水，从而形成孔洞。
这种方法可以控制孔径大小、孔洞分布和比表面积。
此外，还可以在化学活化的基础上，引入不同的气氛，如氮气、空气、二氧化碳等，以形成不同性质的多孔碳材料。
（三）物理活化法物理活化法也称为炭黑活化法，是指在高温下，将玉米芯原料中的纤维素表面和内部吸附了物质的碳吸附剂进行脱附作用，形成多孔结构。
这种方法在保留原材料性质的同时，可以得到亚浓缩的多孔碳材料。
三、多孔碳材料的应用多孔碳材料作为一种高比表面积的材料，具有很多优良的性质，可以应用于环境治理、电化学储能、分离纯化等领域。
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）
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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。
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MCM-48
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SBA-8
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SBA-15
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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
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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
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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。
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Template-Mediated Structural Transformation.[J]. Cheminform， 1999， 30(50).
Lee J, Kim J, Hyeon T. Recent progress in the synthesis of porous carbon materials[J]. Advanced Materials, 2011, 18(18):2073-2094.
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.
• 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
硬模板法
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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。
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
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
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.
• 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%。
多孔碳材料的研究进展
1
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].
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。
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-
Hale Waihona Puke 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。