全 文 ：书Vol．37 高 等 学 校 化 学 学 报 No．5
2016年 5月 CHEMICAL JOUＲNAL OF CHINESE UNIVEＲSITIES 801～809
doi:10．7503 /cjcu20160076
乌拉草基碳材料的储气性能
王 昀，贲 腾，裘式纶
(吉林大学化学学院，长春 130012)
摘要 在不添加外源性化学活化剂的条件下直接碳化乌拉草制备了多孔碳材料 UlaC-950-HF． 样品的碳含量
高达 93%，并且显示出部分石墨化的趋势． 热重分析(TGA)结果显示样品具有很高的热稳定性(400 ℃前失
重仅 3%)． N2吸附-脱附测试结果表明样品的孔结构以微孔为主(峰值在 1. 1 nm) ，并有少量的介孔，总体的
孔分布范围较窄，孔结构为有利于甲烷吸附的狭缝状． 体积法测试结果表明，在 298 K，3. 5 MPa条件下，乌
拉草基多孔碳材料 UlaC-950-HF的甲烷储存能力达到 208 mg /g(质量分数 17%)或体积容量达到 232 mL /mL．
通过对产品的孔结构绘制模型并进行分析，从理论上初步解释了样品拥有较高的高压甲烷储存能力的原因．
关键词 生物质碳化;乌拉草;自身活化;甲烷储存
中图分类号 O613. 71 文献标志码 A
收稿日期:2016-01-28． 网络出版日期:2016-04-22．
基金项目:国家自然科学基金(批准号:21390394，21471065，21261130584)、国家重点基础研究发展计划项目(批准号:
2012CB821700)和高等学校学科创新引智计划项目(批准号:B07016)资助．
联系人简介:贲 腾，男，博士，教授，博师生导师，主要从事有机多孔材料的制备与应用及手性高分子的制备与性能研究．
E-mail:tben@ jlu．edu．cn
碳材料的应用已融入生活中的各个方面［1～7］． 早在公元前 3700 年，多孔形式的碳已经被用于制备
青铜的还原剂［8］;在公元前 400年，医师就已使用炭治疗炭疽、癫痫以及植物萎黄症［8］;近代，在第一
次世界大战中应用于防毒面具中的活性炭材料再次引起人们对碳材料开发的兴趣［9］． 随着人们对清洁
能源的需求，化石燃料等传统能源逐渐被清洁、经济、安全的甲烷取代［10］． 目前常用低压吸附方式的
吸附天然气(ANG)技术来储存甲烷，通过在容器中添加吸附剂来储存气体，对于储存容器的承压要求
仅为 3 ～ 4 MPa，容器的造价远低于压缩气体技术(CNG)、天然气水合物(NGH)及液化气体技术
(LNG) ，同时安全性得到提高［11］． 多孔碳材料被认为是 ANG系统中理想的吸附剂，尤其是以生物质为
原料的碳材料． 生物质在地球上储量仅次于煤和石油，且可再生，产碳率、孔隙结构、密度和碳产品的
纯度等也很理想． 以草本植物和农林残渣［12～19］为前驱体的碳材料由于保留了植物细胞中特殊的孔结构
而具有较低的密度(＜1 g /cm3) ，而且用途广泛，从经济的角度考虑更适合大规模生产．
多孔碳材料的制备依赖于前驱体和热处理方式的选择． 通常使用的活化方法是物理活化及化学活
化:物理活化涉及两步反应，活化过程不可避免地会引入所有类型的孔;化学活化只有一步，活化温
度低，碳产率高，焦油量低，几乎为纯微孔材料，但是需要后续处理以除去未反应的活化剂及活化过
程中形成的杂质，这就增加了工艺的复杂性．
本文选择的前驱体乌拉草(Ula)是东北地区常见的半野生植物，遍布山区、草甸和湿地［20，21］，自
身含有以 KCl及 K2CO3形式存在的钾． 以乌拉草为原料，利用乌拉草自身含有的钾元素而不需要添加
外源性的化学活化剂直接碳化，经过刻蚀和清洗得到的高纯度的多孔碳材料 UlaC-950-HF． 该碳材料具
有较高的比表面积和良好的高压储甲烷能力，显示出在 ANG系统中作为甲烷吸附剂的潜力．
1 实验部分
1．1 试剂与仪器
乌拉草(黑龙江伊春农场) ;氢氟酸(阿拉丁试剂，优级纯) ;稻壳(江苏沭阳农场) ;甘蔗渣(广东
产果蔗) ;活性炭(汕头西陇化工厂，化学纯) ;碳酸钾(汕头西陇化工厂，分析纯)．
1100-60型真空管式炉(上海皓越公司) ;岛津 DTG-60 型差热热重同步分析系统(DTA-TG，日本
Shimadzu公司) ;Tristar Ⅱ3020型比表面和孔分析仪(美国麦克公司) ;HPSA-2型高压体积法储气装置
(上海大学) ;ZMD-2型电子密度仪(上海方瑞仪器有限公司) ;ESCALAB 250 型 X 射线光电子能谱仪
(Thermo-VG Scientific公司) ;JEOL JSM-2100F型透射电子显微镜(日本电子公司) ;Ｒenishaw inVia 型
共焦拉曼光谱仪(英国 Ｒenishaw公司)．
1．2 碳材料的制备
将乌拉草全草在去离子水中超声洗涤后，于 100 ℃干燥 12 h，剪碎成长度约为 3 mm的小粒． 称取
2 g剪碎的乌拉草放置在 6 cm×3 cm 的石英反应舟中，置于真空管式炉石英管的中心位置． 在流速为
100 mL /min的氮气保护下，以 5 ℃ /min的速度升至一定温度(T)并保持 1 h，再以 5 ℃ /min的速度降
至室温，得到的样品记为 UlaC-T(T为碳化温度)． 将样品取出后研磨，并用 20%(质量分数)HF 溶液
刻蚀，以除去样品中的硅和金属元素，刻蚀之后用去离子水洗涤至中性，抽滤，于 80 ℃烘箱干燥，得
到的样品记为 UlaC-T-HF． 本文中所测试的碳材料为经过优选后经 950 ℃煅烧的样品(记为 UlaC-950-
HF)．
2 结果与讨论
2．1 原料的表征
Fig．1 SEM images(A—D)and mappings of C(E) ，Si(F) ，K(G) ，Cl(H)and O(I)for raw Ula
2．1．1 原料乌拉草的 SEM表征 图 1为原料乌拉草的 SEM照片及元素分布图像表征结果． 从图 1(A)
中可以观察到原料乌拉草的叶脉为平行脉，呈典型的单子叶植物的特征． 叶片中央有明显的中脉，使
截面呈现三棱状，表面有细小绒毛，叶缘有锯齿． 从图 1(B)和(C)可以看到原料的结构中存在尺寸均
一、排列整齐的小空腔，这种结构利于空气和水分流通，从结构上解释了乌拉草保温保湿且抗菌的原
因． 图 1(E)～(I)为图 1(D)的元素分布图像，材料中除了主体的 C，O 元素外还均匀分布有 Si，K 及
Cl元素等． 全草图片见图 S1(见本文支持信息) ，全草长度为 1. 2 m．
2．1．2 原料乌拉草的热重分析 乌拉草原料的热重分析曲线如图 2 所示． 从图 2 中可以观察到乌拉草
的热重曲线可分成脱水阶段、快速失重阶段和缓慢失重阶段． 从室温到 220 ℃的平稳失重来自于表面
水的除去，在第二和第三阶段(230～530 ℃)的热解过程中，失重大约占了 90%，曲线中的宽失重范围
208 高 等 学 校 化 学 学 报 Vol．37
是由木质纤维素(半纤维素、纤维素、木质素)的分解所致． 低温部分的热解过程主要是由于半纤维素
的分解，而高温部分的失重则主要是由纤维素和木质素的分解所致． 半纤维素是一类非晶态的单糖链，
稳定程度较低，在 230 ℃就开始分解，整个分解过程在 230～300 ℃ ． 纤维素［(C6H10O5)n］有相对稳定
的晶态结构，分解温度比半纤维素稍高，主要出现在 300～400 ℃之间，并且在 430 ℃出现明显的肩峰．
木质素在生物质资源中的含量仅低于纤维素，在植物中作为结壳物质，是自然界含量最大的天然芳香
族高分子聚合物，分解温度范围很宽，主要的失重过程中最低的分解温度就来自于木质素的分解(大
约 220 ℃) ，但是分解的速率相对较慢，热解结束的温度在 900 ℃，与相关文献中热重分析的结果［22，23］
一致．
Fig．2 TGA curve of raw Ula Fig．3 Ｒaman spectrum of UlaC-950
2．2 UlaC-950的拉曼光谱
Fig．4 Photo(A) ，SEM images(B—D)and mappings(E，F)of UlaC-950-HF before(a，B，E)
and after(b，C，F)grinding
拉曼光谱可用来分析碳材料的石墨化程度． 图 3 为样品 UlaC-950 的拉曼光谱测试结果． 图 3 中
D带和 G带的强度中心分别在 1323和 1603 cm－1，2个峰都比较尖锐． D带的峰强度明显高于 G带，表
明样品中有明显的结构缺陷或者对称性差，因此可以断定材料主体为无定形碳． G 带的存在说明样品
发生了一定程度的石墨化． 样品 UlaC-950中 D带与 G带的强度比(ID / IG)为 1. 10，该比值在样品经 HF
刻蚀后变为 1. 07，这种变化可能是由于刻蚀过程将样品中一些引起缺陷的杂质去除掉所致，但是总体
的趋势并没有发生变化．
2．3 UlaC-950-HF的形貌及组成分析
图 4和图 5是样品 UlaC-950-HF的 SEM照片及元素分析结果． 图 4(A)为研磨前(a)后(b)UlaC-
950-HF的照片． 样品经 HF刻蚀后仍然保持原来的形状，这是由于原料中大量均匀分布的 Si 元素(可
能以 SiO2或硅酸盐形式存在)在高温碳化过程中仍然存在于样品中作为支撑的骨架． 图 4(B)和(C)分
308No．5 王 昀等:乌拉草基碳材料的储气性能
Fig．5 XPS of UlaC-950-HF
别为 UlaC-950-HF研磨前后的 SEM 照片． 可见，在
经 HF刻蚀后，样品的孔隙保留了下来． 通过分布
图像分析［图 4(E) ，(F) ］可以看到，UlaC-950-HF
中的 Si 和金属杂质已经被除去，样品中的碳含量
超过 93%，在刻蚀后经去离子水洗涤可以较彻底地
去除 F－，这在 XPS分析(图 5)中也得到了验证(检
测出的氧元素可能来源于表面基团的残留以及吸附
的环境中的氧)． 刻蚀前及洗涤前样品的元素分析
结果见图 S2(见本文支持信息)．
2．4 UlaC-950-HF的 TEM测试
图 6为 UlaC-950-HF的 TEM照片． 由图 6(A)可见，材料的大部分区域呈现弯曲的线状，这是典型
的无定形碳的特征结构;由图 6(B)可以看到间距为 0. 34 nm 的条纹，这是石墨的特征间距［24］，说明
样品部分石墨化，与拉曼光谱出现尖锐 G带的结果一致．
Fig．6 TEM images of UlaC-950-HF
2．5 UlaC-950-HF的热稳定性分析
Fig．7 TGA curve of UlaC-950-HF
热稳定性是衡量碳材料质量的重要指标［5］，杂
质的存在是样品热稳定性的不利因素，拥有更高氧
化温度的样品通常是因为样品更纯，缺陷更少．
图 7为样品UlaC-950-HF 的 TGA 曲线． 可以观察到
该样品的稳定温度可以达到 400 ℃，在此温度之
前，样品的失重为 3%，最终氧化温度在 600 ℃，残
渣含量低于 1%． TGA 测试结果显示材料具有较高
的热稳定性，材料本身的杂质和缺陷含量较低，可
以达到工业化要求．
2．6 UlaC-950-HF的孔性质
孔的类型和尺寸分布是考察多孔材料吸附能力的重要因素． 图 8 为 77 K 下测试的碳材料的 N2吸
附-脱附等温线及样品的孔尺寸分布(PSD)图． 由图 8(A)可见，样品的吸附等温线为典型的Ⅰ型等温
线，同时可以观察到一个 H4型的迟滞环［25］，迟滞环较窄，近乎水平，迟滞出现在 p /p0 = 0. 42位置，是
介孔的特征迟滞． 这种出现在Ⅰ型等温线中的 H4 型的迟滞环表明材料总体是微孔性质的，但含有介
孔． 同时，狭长的迟滞环通常与狭缝型的均匀孔相关． 图 8(B)中的孔分布曲线验证了这个结论，材料
的孔尺寸分布较窄，峰值出现在 1. 1 nm 处，同时，还含有少量孔径为 1. 6 nm 的微孔和 2. 7 nm 的介
孔，此分布解释了平均孔径(1. 3 nm)略大于最大孔径分布的原因． 由 N2 吸附测试结果计算得到材料
的孔容为 0. 61 cm3 /g． 综合孔分布、BET比表面积和孔容的结果，说明材料 UlaC-950-HF是较好的孔材
料．
2．7 UlaC-950-HF的气体吸附性质
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Fig．8 N2 adsorption-desorption isotherms(A)and pore size distribution(B)of UlaC-950-HF
图 9为样品 UlaC-950-HF粉末对 CO2，CH4和 H2 的吸附曲线及吸附热(Qst)的计算结果． 根据样品
在 275和 293 K下对 CO2的吸附等温线［图 9(A) ］，样品对 CO2的吸附量分别为 58. 9 和 53. 4 cm
3 /g，
据此计算出 CO2 的吸附热［记为 Qst(CO2)］为 26. 3 kJ /mol． 甲烷和氢气为清洁能源，在储存和运输过程中
需要使用吸附能力较强的吸附材料． 图 9(B)和(E)为样品分别在 277和 299 K下对 CH4的吸附等温线．
由此计算得到样品对 CH4的吸附量分别为 38. 7 和 23. 8 cm
3 /g，Qst(CH4)为 22. 4 kJ /mol［图 9(E) ］． 图 9
(C)为在 77和 87 K下样品对 H2的吸附等温线． 计算得到样品对 H2的吸附量分别为 179. 0 和 137. 3
cm3 /g，相应的 Qst(H2)值为 8. 2 kJ /mol［图 9(F) ］． 图 9 结果表明材料在常压下具有较好的气体吸附能
力，尤其是对 CH4的吸附效果更好，所以进一步对样品进行高压储 CH4性能测试．
Fig．9 Adsorption desorption isotherms(A—C)and the Qst results(D—F)of UlaC-950-HF for CO2(A，D) ，
CH4(B，E)and H2(C，F)
2．8 UlaC-950-HF的高压储甲烷性能
室温下活性炭吸附甲烷的原因是室温比甲烷的临界温度(－82. 5 ℃)高 100 ℃以上，随着微孔容量
的增加，活性炭的吸附能力(吸附容量)也增加，实际应用中因为容器使用体积有限而用体积为基准．
采用体积法测试的 UlaC-950-HF的高压储 CH4结果如图 10所示． 结果显示样品在 3. 5 MPa 及 298
K下的甲烷储存能力可以达到 208 mg /g(质量分数 17%)． 样品的密度为 0. 8046 g /cm3，据此计算甲烷
的体积容量为 232 mL /mL，超过了美国能源部(DOE)提出的采用 ANG 技术储存甲烷容量的商业目标
(180 mL /mL)［26］．
508No．5 王 昀等:乌拉草基碳材料的储气性能
Fig．10 High pressure methane storage
curve of UlaC-950-HF
表 1中列举了一些已报道的多孔材料的甲烷吸
附性质［10，27～36］，值得指出的是，PPN-4［31］的 BET比
表面高达 6461 m2 /g，超过同构的(金刚烷结构的)
多孔芳香聚合物 PAF-1(5600 m2 /g)［37］，仅低于
NU-1103(MOFs，SBET = 6550 m
2 /g)［38］，而且稳定性
很好，再生也比较容易，其在 295 K 及 5. 5 MPa 下
对甲烷的吸附容量高达 269 mg /g (质量分数
21. 5%) ，估算在 295 K 及 3. 5 MPa 下吸附容量约
为 190 mg /g(质量分数 15. 9%)． 由于其高的质量基
准的吸附容量来自于材料的低密度，因此在体积受
限的 ANG技术中应用受限．
Table 1 Summary of methane storage capacities of some porous materials
Type Material
Surface
area /
(m2·g－1)
Pore
volume /
(cm3·g－1)
Condition
10－5p /Pa T /K
CH4
storage
capacity(%)
Excess
CH4 uptake /
(mL·mL－1)
Heat of
adsorption /
(kJ·mol－1)
Ｒef．
Porous COF-102 3620 1. 55 35 298 15. 8 120 8. 6 ［27］
polymers COF-103 3530 1. 54 35 298 14. 9 152 9. 5 ［27］
HCP-1 1904 0. 54 15 298 6. 4 ［28］
HCP-4 1366 0. 55 36 298 8. 1 ［28］
PIM-1 850 0. 349 15 293 3. 8 ［29］
PPN-3 2840 1. 7 35 295 12. 2 15. 2 ［30］
PPN-4 6461 3. 04 55 295 21. 5 ［31］
MOFs Cu2(sbtc) ［PCN-11］ 1931 0. 91 25 298 14. 0 171 14. 6 ［32］
Cu2(adip) ［PCN-14］ 1753 0. 87 35 290 15. 3 220 30 ［32］
Ni(dhtp) ［NiMOF-74，CPO-27-Ni］ 1027 0. 54 35 298 11. 9 206 21. 5—22 ［32］
(Cu3(btc)2) ［HKUST-1］ 1502 0. 82 35 304 10. 2 204 18. 7 ［32］
Zn4O(bdc)3［MOF-5］ 1870 36 300 13. 5 110 12. 2 ［32］
Zeolites CaX 0. 36 32 298 7. 5 24. 68 ［33］
Porous CMK-3 950 0. 87 35 298 7. 5 19. 78 ［34］
carbon K-PAF-1-750 2926 35 298 17. 1 17. 9 ［35］
Maxsorb A 3100 40 298 16. 4 152 ［36］
KUA31752 3355 40 298 15. 6 155 ［36］
PC 1220 0. 47 20 298 10. 2 141 ［36］
Saran A carbon 36X 1650 32 298 11. 5 ［36］
KF-1500 1500 32 298 7. 6 ［10］
在常见的多孔材料中，金属-有机骨架材料(MOFs)有很强的吸附能力，但无法保证作为燃料的甲
烷的递送． 沸石显示出比碳更高的亲水表面，有优先吸附水的趋势． 多孔聚合物(如 PPN 系列)尽管在
质量基准上吸附容量占优势，但在体积容量基准上，由于密度很小，导致体积相对较大，难以实现
ANG要求的在有限容积容器中应用． 活性炭中包含褶皱的石墨烯片层及带，松散的堆积显示出高度多
孔的特性，是多孔材料中最适合应用于 ANG的材料．
2．9 UlaC-950-HF储甲烷原理的模型分析
根据 Matranga等［39］的理想狭缝模型，绘制了 UlaC-950-HF 样品储存甲烷理论模型(图 11)． 图 11
解释了多孔材料储存甲烷的原理． 甲烷的吸附过程需要微孔分布在系统中占优，使气态分子在吸附剂
表面变得更加密集． 物理吸附时吸附质和吸附剂之间依靠很弱的范德华力，气体的固定过程依赖于温
度和压力，是完全可逆的． 温度的升高会影响吸附，对吸附的研究往往需要在固定的温度下找到气体
与压力的平衡关系． 研究和计算表明，0. 8～1. 5 nm的孔宽度是最理想的甲烷吸附孔宽［11］，这时的孔拥
有很高的吸附势，孔壁之间要靠得很近以跨过自身的势垒［40］，要求孔的宽度分布窄，不超过所吸附物
质直径的 4倍． 在理想的模型中，假设在饱和吸附的情况下，碳材料的两面都固定有两层甲烷，碳材料
中的石墨烯基板是以“三明治”形式储存甲烷． 在活性炭中，将狭缝状微孔的物理孔宽定义为 W，真实
608 高 等 学 校 化 学 学 报 Vol．37
Fig．11 Schematic illustration of methane molecules
adsorbed in slit
Slit width:1. 1 nm;pressure:3. 5 MPa;temperature:298 K．
可进入的内部孔宽定义为 w． 内部的孔宽 w＜2 nm
时，相关的关系式为 w=W－2rC(其中 rC代表 C 原子
的半径)． 假定 rC是石墨层间正常距离的一半(0. 17
nm)，内部孔径 w≈0. 8 nm，理想的甲烷储存狭缝
尺寸为 1. 14 nm(即 W≈1. 14 nm)． 因为在超临界吸
附阶段发生热扰动，298 K 下吸附单层的厚度要大
于甲烷的范德华半径． 在理想 w 值的条件下，这些
吸附相在 3. 5 MPa 时有最高的密度． W＜1 nm 的孔
只能容纳 1层甲烷，而 W ＞ 3 nm 的“宽”孔壁中甲
烷是离散的，吸附很有限． 此外，尽管甲烷的体积
吸附能力随比表面积及单位体积微孔容量上升而上
升，Celzard 和 Fierro［41］的研究表明，在碳质材料
中，适当含量的介孔和大孔对甲烷的递送能力起重
要作用，介孔和大孔两类孔被认为是圆柱形的，在吸附床传热和传质过程中提供甲烷在孔中扩散的通
道，平均孔宽 1. 5和 2. 5 nm分别是充、放过程优化的尺寸，可提高装载 /卸载率，同时贡献容积． 根据
狭缝状孔的模拟研究，基于这些原因(孔结构、孔宽度)使甲烷储存容量更高［42］．
乌拉草碳化过程实际是利用前驱体乌拉草自身含有的钾盐在碳化过程中发生了同步的化学活化．
因为微孔的形成是碳原子在活化过程中被去除，外源性的掺杂造孔是随机的，而且过度活化会降低体
积能量密度，相对于外源性掺杂的粗犷活化方式，UlaC-950-HF碳材料的孔利用自身的钾盐活化，在前
驱体中活化剂的量是比较固定的，分布位置是确定的，前驱体结构也是规律的． 根据以往钾盐在制备
活性炭中的作用，KCl的存在减小了焦油的产生，提高了固形碳的产率(UlaC-950-HF 样品的质量为前
驱体质量的 36. 8%，换算成碳元素的回收率为 73. 4%)，而且 KCl降低了活化最初发生的温度． 样品中
自身的 KCl对样品活化的机理与外源性掺杂的活化机理相同，KCl 在反应过程中在高温下部分形成
KOH，KOH+2C 2K+H2+K2CO3，在活化过程中，K2CO3 /CO2 /K /H2共同完成活化． 在热解过程中
由于刚性骨架的支撑形成了结构保持和缩紧的平衡，在去掉骨架后留下了多孔结构，自身含钾盐在热
解过程中的同步化学活化加上样品固有的特殊形貌使得样品在热解后形成了丰富的孔隙． 上述因素结
合起来就得到了比较理想的孔尺寸，狭缝状孔更适合气体的储存，而少量分布的介孔提供了气体的通
道，使 UlaC-950-HF成为了比较理想的储甲烷材料．
2．10 常见生物质前驱体制备的碳材料储甲烷性能的对比
作为对比，使用实验室购买的商业活性炭及几种常见的典型生物质为前驱体制备的碳材料，测试
了 298 K及 3. 5 MPa下材料储存甲烷的性质． 图 S3(见本文支持信息)为不同碳材料的孔尺寸分布及高
压储存甲烷性能的对比． 可见，样品 UlaC-950-HF的结果远大于直接碳化的稻壳和乙醇木质素的结果．
K2CO3活化的稻壳及商业活性炭的测试结果也低于 UlaC-950-HF，其中 K2CO3活化的稻壳碳材料的结果
尽管与 UlaC-950-HF接近，但是操作工艺比直接碳化要复杂，另外活化剂对设备腐蚀性大，且会引起
后续的环境问题． 相对来说，UlaC-950-HF由于储气能力最强，且制备工艺简单，在所选择的几种以生
物质为前驱体制备的多孔碳材料中是最好的．
3 结 论
采用东北地区常见的半野生植物作为前驱体，通过直接碳化制备得到多孔碳材料． 测试了材料的
气体吸附及高压储甲烷性质，得到了较理想的结果(甲烷储存能力达到 208 mg /g，质量分数为 17%)，
超过 DOE的目标． 与几种典型的生物质为前驱体制备的碳材料相比，显示出高于其它材料的高压储气
性质． 多孔碳材料 UlaC-950-HF的制备工艺简单，对环境污染小，有希望用作 ANG储气方法中的吸附
剂，推动清洁能源甲烷的应用进程．
708No．5 王 昀等:乌拉草基碳材料的储气性能
支持信息见 http:/ /www．cjcu．jlu．edu．cn /CN /10．7503 /cjcu20160076．
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Performance of Gas Storage in Carex meyeriana
Kunth-based Carbon
WANG Yun，BEN Teng* ，QIU Shilun
(College of Chemistry，Jilin University，Changchun 130012，China)
Abstract Carex meyeriana Kunth was chosen as raw material to prepare porous carbon material(UlaC-950-
HF)by the direct carbonization method without adding exogenous chemical activator． The result of analysis
showed that the percentage of carbon in the sample was up to 93% and the product had a trend of part graphiti-
zing． TGA result showed that the sample had high thermal stability(only 3% mass loss from 0 to 400 ℃)． N2
sorption isotherm results showed that the pore structure of porous carbon was mainly microporosity(maximal
pore size distribution was 1．1 nm)with a small amount of mesoporous pore． The distribution of pore diameter
was narrow． There were slit-like structures in the sample which were beneficial for storaging high-pressure
methane． The capacity of methane storage of UlaC-950-HF was up to 208 mg /g(mass fraction，17%)or volu-
metric capacity of 232 at 298 K and 3．5 MPa． This paper also explained the reason for the outstanding capacity
of storaging high-pressure methane by drawing a theoretical model．
Keywords Carbonized biomass;Carex meyeriana Kunth;Self-activation;Methane storage
(Ed．:F，K，M)
Supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos．21390394，21471065，21261130584) ，the Major State Basic Ｒesearch
Development Program of China(No．2012CB821700)and the Programme of Introducing Talents of Discipline to Universities，China(No．B07016)．
908No．5 王 昀等:乌拉草基碳材料的储气性能