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 。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
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。
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。