来自天然碳水化合物的微孔碳吸附剂

摘要

本发明揭示一种碳热解物材料，其具有作为吸附剂以及用于能量存储及其它应用的效用。所述热解物材料包括从例如多糖的低成本天然存在的碳水化合物源材料衍生的微孔碳。在吸附剂应用中，所述碳热解物可以例如以颗粒形式或整体形式而生产，其具有高密度及高孔隙体积以最大化气体存储及输送，其中所述碳热解物吸附剂的孔隙大小分布可经由活化条件而调谐以优化所关注的特定气体的存储容量及输送。

说明书

相关申请案的交叉参考

本申请案依据35 USC 119主张2014年8月23日申请的题为“来自天然碳水化合物的高体积气体存储容量微孔碳整体(HIGH VOLUMETRIC GAS STORAGE CAPACITYMICROPOROUS CARBON MONOLITHS FROM NATURAL CARBOHYDRATES)”的第62/041,057号美国临时专利申请案的优先权益。为了所有目的，第62/041,057号美国临时专利申请案的全部揭示内容特此以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明大体上涉及碳热解物材料，且更特定地涉及由可再生天然源制备的碳吸附剂(例如高纯度微孔碳吸附剂)、制造此类碳吸附剂的方法，以及利用此类碳热解物材料的系统及工艺。此类系统及工艺可包含流体存储及分配系统及工艺，例如，针对用于天然气动力车辆的天然气，或针对为了制造半导体产品、平板显示器、太阳能电池板及类似者而供应过程气体，或针对基于吸附剂的加热及制冷系统及工艺，或针对涉及电化学电池、气体捕集、气体螯合、气体分离及类似者的系统及工艺中的使用。

背景技术

除固有的身体或窒息危害之外，许多高压气体的包装、存储、运输及使用还因易燃性、毒性、自燃性及爆炸性的潜在风险而变复杂。

为了处理这些风险及关联危害，已采用各种方法来增强其中存储有危害气体的特种气体包装的安全性，且在分配条件下从所述特种气体包装供应此类气体来使用所述气体。

一种此类方法涉及提供保持物理吸附剂的气体存储及分配容器，气体在其上可逆地吸附，其中气体在低的例如亚大气压力下存储在吸附剂上。气体的此类低压存储使在容器的运输及处置期间的释放或暴露可能性最小化，且已被证明是用于工业的非常安全且可靠的技术。此类型的容器已在半导体制造工业中广泛地商业化，例如用于含有用于离子植入的氢化物、卤化物及有机金属气体，商标为(美国马萨诸塞州的比勒利卡的ATMI/伊特格瑞斯公司(ATMI/Entegris,Inc.,Billerica,Massachusetts,USA))。此类产物的系列利用源自高纯度合成聚合物(例如PVDF(聚偏二氟乙烯)、PVDC(聚偏二氯乙烯)、PMA(聚丙烯酸甲酯)及这些材料的共聚物)的受控热解及活化的高密度、高容量、整体微孔碳吸附剂作为物理吸附剂。这些专门碳吸附剂材料是以商标(美国马萨诸塞州的比勒利卡的ATMI/伊特格瑞斯公司)市售，其特征为以低能量成本适应所关注气体的可逆物理吸附的孔隙率。

随着开发及商业部署新的钻探技术及其它提取技术(例如水力压裂(压裂))，美国及其它国家越来越多地利用天然气(来自天然源的甲烷)来满足国内燃料需要。由于价格合理的天然气的新兴丰度，在轻型发动机、小型车辆、割草机、叉车及重型卡车中利用天然气作为运输燃料的努力越来越多。事实上，大多数8级车辆制造商(沃尔沃、马克、福莱纳等等)已将具有压缩天然气(CNG)燃料系统的卡车商业化。在接下来的十年中，天然气的运输使用被预计为增长20％以上。

一般来说，压缩天然气系统往往对其被部署的车辆增加显著的成本。这是因为储罐及相关压缩设备本身构建起来昂贵，且它们在高压条件(涉及大约25mPa(高于3600psi)及更高的压力)下操作起来昂贵。此类高压天然气在加油站处以及在道路及高速公路上造成显著的潜在风险。

因此，所属领域的显著进步将是提供一种经济地制造并能够提供高容量、高效率的天然气存储介质的吸附剂材料，天然气在所述天然气存储介质上吸附地保留在库存中，且天然气可在分配条件下以安全且有效的方式容易地从所述天然气存储介质解吸。提供此类吸附剂将会极大地推进当前的努力以利用天然气作为商品燃料用于车辆以及其它应用。

类似的考虑涉及用于例如供应用于制造半导体产品、平板显示器、太阳能电池板及类似者的过程气体的气体供应包装的应用的吸附剂，以及用于基于吸附剂的加热及制冷系统及工艺的吸附剂，及用于涉及电化学电池、气体捕集、气体螯合、气体分离及类似者的系统及工艺中的吸附剂。

发明内容

本发明大体上涉及碳热解物材料，其包含：具有用于存储及分配天然气的效用的碳吸附剂，例如在例如车辆燃料使用的应用及其中对天然气的可逆吸附存储有利的其它实施方案中；以及具有用于供应用于制造半导体产品、平板显示器、太阳能电池板及类似者的过程气体的效用且用于基于吸附剂的加热及制冷系统及工艺及用于涉及电化学电池、气体捕集、气体螯合，气体分离及类似者的系统及工艺中的碳吸附剂。

在一个方面中，本发明涉及由可再生天然源制备的高纯度微孔碳吸附剂、制造此类碳吸附剂的方法，以及利用此类碳吸附剂的基于吸附剂的气体存储及分配系统及工艺。

在另一方面中，本发明涉及碳吸附剂材料，及并入此类碳吸附剂材料的气体存储容器及系统，以及制造及使用此类材料、容器及气体存储及输送系统的方法。

在又一方面中，本发明涉及一种源自天然存在的碳水化合物源材料的热解的微孔吸附剂碳。

在另外方面中，本发明涉及一种包括本发明的高密度整体或颗粒碳热解物的气体存储及输送容器。

在一个特定方面中，本发明涉及一种碳热解物，其特征在于：

从天然存在的碳水化合物源材料衍生；

<1％的总灰分含量，如通过ASTM D2866-11的程序所确定；

片密度在从0.50g/cc到1.40g/cc的范围中；

N₂BET表面积大于750m²/gm；及

在21℃及35巴压力下的甲烷吸附容量大于100V/V。

在另一特定方面中，本发明涉及一种碳热解物吸附剂，其特征在于：

从天然存在的碳水化合物源材料衍生；

整体或颗粒形式；

<1％的总灰分含量，如通过ASTM D2866-11的程序所确定；

片密度在从0.50g/cc到1.40g/cc的范围中；

N₂BET表面积大于750m²/gm；及

在21℃及35巴压力下的甲烷吸附容量大于100V/V。

本发明的另外方面涉及一种气体供应包装，其包括保持本发明的吸附剂的气体供应容器。

本发明的又一方面涉及一种制造整体或颗粒碳吸附剂的方法，其包括：将前体碳水化合物材料压缩成近净形状预成型件；在惰性气体环境中以受控的方式加热以将碳水化合物热分解成碳；及任选地，通过(i)化学活化及(ii)物理活化中的一或多者活化所述碳以增加表面积。

将从随后的描述及所附权利要求书更全面地清楚本发明的其它方面、特征及实施例。

附图说明

图1是利用根据本发明的一个实施例的碳热解物材料的安置在用于净化流过其中的气体的过程管线中的管线式气体净化器的示意图。

图2是根据本发明的另一实施例的利用碳整体吸附剂的存储及输送系统的示意图。

图3是根据本发明的另外实施例的包含气体存储及分配容器的气体供应包装的透视横截面图，其将此类容器的内部结构展示为含有颗粒碳吸附剂。

图4是根据本发明的一个实施例的电化学能量装置的示意图，所述电化学能量装置包括形成其间具有电解质的EDLC构型的碳热解物电极的布置。

图5是通过直接压缩而形成的天然碳水化合物的片剂的照片，并展示粒子的良好粘附性，且具有超过1.1g/cc的原材料密度。

图6是具有>1.25g/cc的片密度的混合及固结糖片在被装载到用于热解的炉中时的照片。

图7是具有>1.32g/cc的测定密度的强自粘附多糖圆柱形块的照片。

图8是展示从各种天然淀粉源压缩的盘的大小范围的照片。

图9是已热转化成具有大于1.25g/cc的密度的碳热解物的若干淀粉盘的照片。

图10是具有为0.95g/cc的平均片密度的热解糖片的照片。

图11是展示经由预成型及受控的热解而制备的成型的碳热解物吸附剂片的各种形状及大小的照片。

图12是具有空间填充形状的碳热解物吸附剂物品的一个实施例的照片，其可经布置成使得邻近碳热解物吸附剂物品彼此接触，使得可采用对应碳热解物吸附剂物品阵列用于最大化适应于保持气体的吸附剂容器的封闭体积内的吸附剂密度，对于所述气体，碳热解物吸附剂具有吸附亲和性。

图13是从压缩马铃薯淀粉衍生的切割的固结碳吸附剂整体片的SEM显微照片，其密度为1.29g/cc，表面积为1300sq.m/g，且甲烷容量为116V/V。

图14是从压缩马铃薯淀粉衍生的图13的同一固结碳吸附剂整体的表面的SEM显微照片，其密度为1.29g/cc，表面积为1300sq.m/g，且甲烷容量为116V/V。

图15是图13及14的活化碳吸附剂整体中微孔隙率的较高放大率的SEM图像。

图16是根据一个实施例的由混合淀粉及麦芽糖糊精的直接压缩制备的碳热解物吸附剂盘的照片。

具体实施方式

本发明大体上涉及碳热解物材料。在特定方面中，本发明更特定地涉及碳吸附剂，例如有用地用于天然气的可逆吸附且提供天然气存储介质的碳吸附剂，天然气可在气体存储条件下吸附地保持在所述天然气存储介质上，且天然气可从所述天然气存储介质容易地解吸以用于分配及后续使用。因此，此类碳吸附剂在车辆燃料供应应用中具有效用，在所述应用中，天然气用于适应于使用天然气的发动机中的燃烧。在其它方面中，本发明涉及具有用于供应用于制造半导体产品、平板显示器、太阳能电池板及类似者的过程气体且用于基于吸附剂的加热及制冷系统及工艺的效用的碳吸附剂，以及在涉及电化学电池、气体捕集、气体螯合、气体分离及类似者的系统及工艺中具有效用的碳热解物材料。

在上述车辆应用中，本发明的碳吸附剂使相大量的天然气能够保持在相对于压缩天然气(CNG)系统显著较低的压力(例如大约3.5mPa(～500psi)的压力)下，如先前所论述，压缩天然气(CNG)系统在大约25mPa(高于3600psi)及更高的压力下操作。由于此类数量级的压力缩减，相对于CNG系统，本发明的碳吸附剂存储及分配系统使储罐及相关压缩组件的成本能够显著地缩减，同时对应地增强天然气供应系统的操作安全性。

如本文中关于本发明的特征、方面及实施例不同地所阐述，本发明可在特定实施方案中被构成为包括下列各者、由下列各者组成或基本上由下列各者组成：此类特征、方面及实施例中的部分或全部，以及其被聚集以构成本发明的各种另外实施方案的元件及组件。本发明以各种排列及组合对应地将此类特征、方面及实施例或所选择的一或多个特征、方面及实施例设想为在本发明的范围内。

如本文中及所附权利要求书中所使用，以下术语具有以下含义：

单数形式“一”、“及”及“所述”包含复数指示物，除非上下文另有明确规定。

关于本发明的碳热解物的术语“高纯度”意指碳热解物的特征在于<1％的总灰分含量，如通过ASTM D2866-11的程序所确定。

术语“碳水化合物”是指由碳(C)、氢(H)及氧(O)原子构成的大生物分子或大分子。此类分子可具有2:1的氢:氧原子比，及经验式C_x(H₂O)_Y，其中X可不同于Y。技术上，这些分子是碳的水合物。通常，术语“碳水化合物”被认为与“糖类”同义。碳水化合物以四种化学类别而存在：单糖、二糖、寡糖及多糖。

术语“糖”是由碳、氢及氧原子构成的甜的、短链、可溶性碳水化合物的广义名称。实例包含阿拉伯糖、果糖，半乳糖、葡萄糖(右旋糖)、乳糖、麦芽糖、甘露糖、蔗糖，木糖及其衍生物。

术语“单糖”是指简单的糖，碳水化合物的最基本单元或构建块。实例包含阿拉伯糖、脱氧核糖、果糖(或左旋糖)、半乳糖、葡萄糖(或右旋糖)、甘油醛(或甘油)、甘露糖、核糖及木糖。

术语“二糖”是指当两个单糖经历缩合反应而消除水分子时形成的碳水化合物。实例包含乳糖、麦芽糖、蔗糖、纤维二糖及蜜二糖。

术语“寡糖”是指含有少量(通常为3个到9个)简单的糖(单糖)的糖聚合物。实例包括纤维糊精、果寡糖、低聚半乳糖、异麦芽低聚糖、麦芽糖糊精、甘露聚糖寡糖及蜜三糖等等。

术语“多糖”是指由通过糖苷键键接在一起的单糖单元的长链构成的聚合碳水化合物分子。实例包含琼脂、支链淀粉、直链淀粉、阿拉伯木聚糖、纤维素、壳质、壳聚糖、葡萄聚糖、糊精、果聚糖、半乳甘露聚糖、葡聚糖、糖原、瓜尔胶、半纤维素、香菇多糖、地衣淀粉、甘露聚糖、天然树胶、果胶、多糖肽、琼脂糖、淀粉(例如，苋菜、竹芋、香蕉、木薯、椰子、玉米、豌豆、车前草、马铃薯、奎奴亚藜、水稻、高粱，树薯、小麦等等的淀粉)、韦兰胶、黄原胶及木聚糖等等。

术语“纤维素”是指(C₆H₁₀O₅)_n式的天然存在的有机聚合物，其包括作为高分子量直链聚合碳水化合物的绿色植物、木材、坚果壳、水果核、藻类等等的结构性纤维细胞壁。纤维素材料包括木浆、锯屑、新闻纸、椰子壳、橄榄石、桃花石、杏核、粘胶纤维、粘胶人造丝、棉花、棉绒、阿瓜坚果壳、澳洲坚果壳、醋酸纤维素、细菌纤维素、木质素、黑刺石、核桃壳、枣木、稻壳、咖啡羊皮纸、咖啡渣、甘蔗渣、高粱黍、竹材、芒果核、杏仁壳、玉米芯、樱桃石及葡萄籽。

术语“大孔隙”是指大小大于50nm的孔隙。

术语“中孔隙”是指大小为从2nm到50nm的孔隙。

术语“微孔隙”是指大小小于2nm的孔隙。

术语“超微孔隙”是指大小小于0.7nm的孔隙。

术语“整体”是指呈块体形式的碳热解物材料，其具有块、砖、圆柱、圆盘、杆或其它几何规则或不规则块体形式，不同于非整体碳热解物形式，例如珠粒、丸粒、挤出物，粉末、细粒或颗粒。本发明的整体碳热解物有利地通过具有大体上对应于整体碳热解物产物的大小及构型的“近净形状”可热解前体预成型件的热解而形成为致密的固体物品。所得块体形式的微孔碳物品可用作单片吸附剂，或用作多个片的堆栈(例如，在整体碳热解物是盘状形式且此类盘状体的堆栈垂直地堆栈在堆栈中的连续盘状体的面对面邻接中时)，或其中块体形式的碳热解物物品在其相应表面的大部分上方彼此接触的其它布置，由此消除在由珠粒、丸粒、挤出物、粉末，细粒或吸附剂颗粒填充的吸附剂容器中观察到的高空隙体积，其中存在导致含有此类珠粒、丸粒、挤出物、粉末、细粒或颗粒的空间体积的吸附容量减小的大量间隙体积及总空隙。在各种特定实施例中，整体碳热解物可具有尺寸特点，其中其(x,y,z)尺寸中的每一者为至少1cm，例如，其中其(x,y,z)尺寸中的每一者在从1cm到25cm的范围中或更高。

术语“片密度”是指单片固体吸附剂的每单位体积的质量，以克/立方厘米的单位表达。

关于由可热解前体材料形成的碳热解物所使用的术语“无粘合剂”意指，基于可热解前体组合物的总重量，所述组合物含有按重量计不大于5％的粘合剂材料，优选地含有按重量计不大于2％的粘合剂(基于相同的重量)，且最优选地不含任何粘合剂材料。无粘合剂碳热解物因此可由前体材料形成，所述前体材料具有足够的内聚性，使得其可通过压模或其它成形操作而形成为近净形状形式，并在前体材料的热解期间及之后保持所述近净形状形式。在这方面，由例如研磨及包装的标准处理操作产生的残余吸附物质(例如，水或湿气)被认为是原始源材料的部分，而不是原始源材料的添加剂或粘合剂成分。

术语“热解”是指在前体材料基本上转化成碳的条件下的前体材料的热分解。

术语“天然存在的碳水化合物源材料”是指碳水化合物、糖类、糖，淀粉及类似者，但不包括纤维素材料及石油基或石油衍生材料。

关于经热解以形成碳热解物的可热解前体物品的术语“近净形状”意指前体物品具有与由热解产生的产物碳热解物形状一致的构型。可热解前体物品相对于热解产物物品的此类特点是非常有利的，这是因为其消除在碳热解物的处理中进行大量切割、研磨等等以实现材料移除的需要，因为在从前体物品到碳热解物吸附剂产物的进程中维持合理一致的形式因子。

在一个方面中，本发明涉及一种碳热解物，其特征在于：

从天然存在的碳水化合物源材料衍生；

<1％的总灰分含量，如通过ASTM D2866-11的程序所确定；

片密度在从0.50g/cc到1.40g/cc的范围中；

N₂BET表面积大于750m²/gm；及

在21℃及35巴压力下的甲烷吸附容量大于100V/V。

在各种方面中，本发明设想形成为对应前体材料的热解物的高纯度碳吸附剂。

在一个特定方面中，本发明涉及一种碳热解物吸附剂，其特征在于：

从天然存在的碳水化合物源材料衍生；

整体形式；

<1％的总灰分含量，如通过ASTM D2866-11的程序所确定；

片密度在0.50g/cc到1.40g/cc的范围中；

N₂BET表面积大于750m²/gm；及

在21℃及35巴压力下的甲烷吸附容量大于100V/V。

此类吸附剂的特征在于包括二糖、多糖或其它碳水化合物材料的天然存在的碳水化合物源材料。在其它实施例中，天然存在的碳水化合物源材料包括选自由下列各物组成的群组的材料：乳糖、淀粉、天然树胶、壳质、壳聚糖、直链淀粉、支链淀粉、糊精、麦芽糖糊精，及前述各物的混合物。

碳热解物吸附剂可为活化形式，例如，其中活化形式已通过化学及/或物理活化而被活化。在一个特定实施例中，活化形式已通过与酸(例如，选自由盐酸、硫酸、磷酸、硼酸及碳酸组成的群组的酸)的反应而被化学活化。在其它实施例中，活化形式已通过与钠、锂、钾、钙或铵的氢氧化物的反应而被化学活化。在其它实施例中，活化形式已通过在暴露于与惰性气体(例如，氮气或氩气)混合的CO₂、空气或蒸汽时或作为纯气体流在从600℃到1200℃的范围中的温度下的烧尽而被物理活化。在特定实施例中，活化形式已通过在暴露于与惰性气体混合的CO₂、空气或蒸汽时或作为纯气体流在从600℃到1200℃的范围中的温度下的烧尽而被物理活化。

在特定实施例中，本发明的碳热解物吸附剂可通过以下特性中的任何一或多者而被特性化：具有小于0.5％的总灰分含量，如通过ASTM D2866-11的程序所确定；具有从0.55g/cc到1.35g/cc的片密度；具有从0.60g/cc到1.30g/cc的片密度；具有从0.5g/cc到1.3g/cc的块体密度；所述吸附剂是无粘合剂的；具有在从750到3000m²/克的范围中的N₂BET表面积；在微孔隙中所具有的其孔隙体积的至少40％具有在从0.3nm到2.0nm的范围中的大小；在微孔隙中所具有的其孔隙体积的至少70％具有在从0.3nm到2.0nm的范围中的大小；在微孔隙中所具有的其孔隙体积的40％到90％或更高具有在从0.3nm到2.0nm的范围中的大小；在21℃及35巴压力下具有大于110V/V的甲烷吸附容量；在21℃及35巴压力下具有大于125V/V的甲烷吸附容量；在21℃及35巴压力下具有在从140V/V到220V/V的范围中的甲烷吸附容量；及在35巴与1巴之间具有至少75V/V(例如，在从75到125V/V的范围中)的甲烷吸附工作/增量容量。

在其它实施例中，本发明的碳热解物吸附剂可在其上吸附有选自由下列各物组成的群组的气体：氢化物、卤化物、有机金属化合物、氢气、CO₂、CO、甲烷，C₂-C₄烃(例如，乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯)、天然气，及两种或两种以上前述各物的混合物。

在特定实施例中，吸附气体包括选自由下列各物组成的群组的气体：胂、膦、锗烷、乙硼烷、硅烷、乙硅烷、三甲基硅烷、四甲基硅烷、甲烷、C₂-C₄烃(例如，乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯)、乙炔、氢气、锑化氢、三氯化硼、三氟化硼、四氟化二硼、三氟化氮、四氟化锗、四氟化硅、三氟化砷、五氟化砷、三氟化磷、五氟化磷、氟气、氯气、氟化氢、硫化氢、硒化氢、碲化氢、卤化甲烷、卤化乙烷、链烷、锡烷、丙硅烷、氨、一氧化碳、二氧化碳、碳酰氟、一氧化二氮、天然气、前述各物的同位素富集变体，及两种或两种以上前述各物的组合。

在另外方面中，本发明涉及一种气体供应包装，其包括如本文中不同地所描述的保持本发明的吸附剂的气体供应容器。在特定实施例中，容器的特征在于每cc容器的内部体积至少0.1克吸附剂的吸附剂填充物，优选地为每cc容器的内部体积至少0.6克吸附剂的吸附剂填充物，更优选地为每cc容器的内部体积至少0.65克吸附剂的吸附剂填充物，且最优选地为每cc容器的内部体积至少0.75克吸附剂的吸附剂填充物，例如，每cc容器的内部体积在从0.5克到0.95克或更高的范围中的吸附剂的吸附剂填充物。

在另一特定实施例中，本发明涉及一种如本文中不同地所描述的气体供应包装，其具有吸附在吸附剂上的天然气。

在另一方面中，本发明涉及一种制造整体碳吸附剂的方法，其包括：将前体碳水化合物材料压缩成近净形状预成型件；在惰性气体环境中以受控的方式加热以将所述碳水化合物热分解成碳；及任选地，通过(i)化学活化及(ii)物理活化中的一或多者活化所述碳以增加表面积。

为了实现用于吸附天然气(ANG)存储及输送的高水平的实用性，本发明的碳热解物吸附剂有利地制造为高密度、整体、成形的空间填充形式材料，其提供高重量(存储/克)及体积(存储/升)气体存储密度两者。碳热解物吸附剂是微孔的，且有利地包含具有与用于应用的目标被吸附物气体匹配的有效孔径的孔隙率。孔隙率优选地包含中孔隙(直径大于2nm但小于50nm的孔隙)及/或大孔隙(直径大于50nm的孔隙)中的孔隙体积的小于60％。更优选地，此类孔隙(中孔隙+大孔隙)的百分比小于45％，且最优选地，此类孔隙(中孔隙+大孔隙)的百分比小于30％。

本发明的碳热解物吸附剂具有高甲烷吸附容量，即在35巴(508psig)及21℃下为至少100V/V，优选地在35巴(508psig)及21℃下大于110V/V，更优选地在35巴(508psig)及21℃下大于125V/V，且最优选地在35巴(508psig)及21℃下大于175V/V，例如，在35巴(508psig)及21℃下在从100到250V/V的范围中，且更优选地在35巴(508psig)及21℃下在从140到220V/V的范围中。碳热解物吸附剂还展现快速的吸附/解吸速率，具有低的甲烷吸附热及高的热容量，从而允许吸附剂管理热效应并使吸附及解吸期间的温度变化最小化。吸附剂有利地具有疏水特点。在各种实施例中，吸附剂是以整体形式制备，且可由本文中所描述的前体材料模制成多种形状。在各种实施例中，碳热解物吸附剂展现1.1g/cc或更高的密度，且是疏水的，在35巴压力及21℃的温度下具有至少170V/V的甲烷容量。此类型的碳热解物吸附剂有利地具有适度的热容量(例如，大约1J/g-K)及高热导率(例如，～0.8W/m-K)以提供散热。

因此，本发明的碳热解物吸附剂可以高密度整体形式提供为高表面积的微孔碳吸附剂，且可根据产物碳热解物吸附剂的最终用途而被成形。碳热解物吸附剂有利地由天然存在及丰富的碳源材料形成。为了保持处理成本低及最终产物纯净，利用具有高碳含量的天然源，且优选地不含或大体上不含无机污染物，例如过渡金属、碱金属或碱土金属、卤化物、盐等等。碳热解物提供用于天然气存储的低成本、高效的吸附剂，在特定实施例中具有包含大于750m²/g的表面积、大于0.8g/cc的片密度及大于0.5g/cc的块体密度的特性。

本发明的碳热解物材料可由多种前体源材料形成，其包含但不限于蔗糖及其它相关糖(例如，阿拉伯糖、果糖、半乳糖、葡萄糖(右旋糖)、乳糖、麦芽糖、甘露糖、木糖及其衍生物)，以及淀粉及多糖。这些原始源材料可容易地在经历后续碳化及活化之前形成或挤压成整体形状。大多数简单的糖是由40到42％的碳组成，且以低成本及高纯度大量市售。它们是天然可再生的。天然糖的热分解产生结构类似于PVDC炭的结构的非石墨化硬碳。糖的非氧化热解的副产物主要是水蒸气以及低水平的二氧化碳及/或一氧化碳。这些是容易管理的过程流出物。

糖在用作碳热解物源材料时可在惰性气氛中在任何合适的温度下热解，例如至少400℃及高达1200℃或更高的温度。活化可以任何合适的方式进行，且可通过化学及/或物理活化技术进行，例如(1)通过热解碳与KOH、LiOH、NaOH、NH₄OH、NaHCO₃、(NH₄)₂SO₄、H₂SO₄、HCl或H₃PO₄在室温下发生反应进行化学活化，然后加热，且接着通过适当的酸或碱中和洗涤/水冲洗过滤及干燥来移除任何残余活化化学品；或(2)通过将碳高温暴露于蒸汽、CO₂、空气或其它氧化气体或通过这些各种技术的任何组合进行物理活化。

在各种实施例中，碳热解物吸附剂包括相对于容器或其它容纳结构为形状填充形式的无粘合剂的、高密度碳整体，其中吸附剂将作为气体存储及分配介质而部署。如在此类上下文中所使用，术语“高密度”意指碳热解物的片密度为至少0.50g/cc，优选地为至少0.70g/cc，且最优选地大于0.75g/cc，例如，在从0.50g/cc到1.70g/cc的范围中。

在特定实施例中，本发明的碳热解物及碳吸附剂可从天然存在的碳水化合物源材料衍生，其包括下列各物中的一或多者：(i)单糖、(ii)二糖、(iii)寡糖，及/或(iv)多糖。

举例来说，碳吸附剂可从天然源材料衍生且具有至少750m²/g的N₂BET表面积，优选地为至少900m²/g；且最优选地大于1000m²/g，例如，在从750m²/g到3000m²/g的范围中。

在各种实施例中，本发明的微孔碳吸附剂材料可具有由大小在0.3nm与2.0nm之间的孔隙构成的其孔隙体积的至少50％，优选地具有由大小在0.3nm与2.0nm之间的孔隙构成的其孔隙体积的至少70％，且更优选地大于75％，例如，高达95％或更高。

本发明的其它实施例涉及从天然存在的碳水化合物源材料衍生的整体形式的碳吸附剂，其中碳吸附剂在21℃及35巴下具有至少100V/V(优选地为至少110V/V，且更优选地为至少125V/V，例如在从140到220V/V的范围中)的甲烷吸附容量。

在其它方面中，本发明涉及一种含有碳热解物吸附剂的气体供应容器，其中容器内的碳吸附剂填充密度为由吸附剂占据的至少0.1g碳吸附剂/cc容器体积，优选地为至少0.6g/cc，更优选地为0.65g/cc，且最优选地为至少0.75g/cc，例如在从0.5g/cc到1.0g/cc或更高的范围中。

本发明的另外方面涉及一种含有天然碳水化合物衍生碳吸附剂的气体供应容器，所述碳吸附剂上吸附有选自由下列各物组成的群组的气体：(i)氢化物、(ii)卤化物、(iii)有机金属化合物、(iv)氢气、(v)二氧化碳、(vi)一氧化碳、(vii)甲烷、(viii)天然气、(ix)乙烷、(x)乙烯、(xi)丙烷、(xii)丙烯、(xiii)丁烷、(xiv)丁烯，及这些气体中的两者或两者以上的组合。

本发明的另外方面涉及一种气体供应容器，其含有天然碳水化合物衍生碳吸附剂，其上吸附有选自由下列各物组成的群组的气体：胂、膦、锗烷、乙硼烷、硅烷、乙硅烷、三甲基硅烷、四甲基硅烷、甲烷、C₂-C₄烃(例如，乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯)、乙炔、氢气、锑化氢、三氯化硼、三氟化硼、四氟化二硼、三氟化氮、四氟化锗、四氟化硅、三氟化砷、五氟化砷、三氟化磷、五氟化磷、氟气、氯气、氟化氢、硫化氢、硒化氢、碲化氢、卤化甲烷、卤化乙烷、链烷、锡烷、丙硅烷、氨、一氧化碳、二氧化碳、碳酰氟、一氧化二氮、天然气、前述各物的同位素富集变体，及两种或两种以上前述各物的组合。

在其它方面中，本发明涉及并入上述类型的容器的气体吸附、存储、运输及/或输送系统，其含有本发明的碳吸附剂。

在各种特定实施例中，本发明的碳热解物的特征在于下列各者中的至少一者：已由天然存在的碳水化合物源材料形成；具有整体形式；<1％的总灰分含量，如通过ASTMD2866-11的程序所确定；从0.50g/cc到1.70g/cc的整体形式片密度；大于750m²/g的N₂BET表面积；在21℃及35巴压力下的甲烷吸附容量大于100V/V，例如大于110V/V、大于125V/V，或在从100到220V/V的范围中；其孔隙率的至少40％(例如大于其孔隙率的50％、60％、70％或80％，高达90％或更高)是由微孔隙构成，孔隙大小在0.3nm与2.0nm之间；>0.6W/mK的热导率；及在21℃下的35巴与21℃下的1巴之间的75V/V或更大的甲烷吸附工作/增量容量(甲烷吸附工作/增量容量是在较高压力(35巴)下可吸附在碳吸附剂上且随后在较低压力条件(1巴)下通过解吸从碳吸附剂释放的吸附物气体的体积(当两者都在21℃的温度下测量时。

在另一方面中，本发明涉及在热分解之前在4,000psi或更大(优选地在5,000psi与50,000psi)的压缩力下压缩成近净形状预成型件的天然存在的碳水化合物源材料。

在又一方面中，本发明涉及通过处理到从600℃到1200℃的温度来将固结的近净形状碳水化合物预成型件热转化为碳以产生热解物碳。

在另外方面中，本发明涉及通过化学或物理手段活化形成的碳水化合物衍生热解物碳以增强其表面积及微孔隙体积。

在使用根据本发明的天然来源的碳水化合物材料的情况下，可以相对高的产率、低成本、高纯度及最小化的环境危害来制造碳热解物吸附剂。制备天然聚合物源材料的压缩预成型件会使能够生产高密度整体形式的碳热解物吸附剂。天然源材料(例如，多糖)的热解导致易于管理的副产物。在高温下用蒸汽、CO₂或空气与惰性吹扫气体(例如氮气或氩气)的组合的物理活化可用于实现对吸附剂性质(例如表面积、块体密度及孔隙大小分布)的非常精确的控制，而不引入新的杂质或污染物。自粘附(粘合)前体使能够在不使用可改变碳吸附剂的期望性质的粘合剂的情况下进行处理，同时仍实现高密度、优异的强度及耐久性、高热容量及良好的热导率的吸附剂物品。因此，有可能生产具有高气体吸附容量，在吸附期间的低加热以使能够快速填充气体，使与吸附气体的化学反应性最小化以用于货架存储及运输稳定性以及最大化气体输送及气体输送时的低冷却的固体吸附剂碳以允许实现可持续的高使用率及可持续的供应链。

应认识到，本发明的碳热解物吸附剂可并入上文中所描述的各种特性及特征中的任一者，以及此类特性及特征中的两者或两者以上的任何组合。

根据本发明的碳热解物可以任何合适的大小、形状及形式而被提供。举例来说，各种实施例中的碳热解物的特点可为颗粒，且在特定实施例中，粒子可具有从0.3到4mm的大小(直径或主尺寸)范围，具有大于0.8g/cc的片密度，或具有任何其它合适值的大小及密度。在其它实施例中，碳热解物可为整体形式。在本发明的广泛实践中有用的碳热解物整体在特定实施例中可包含粗块砖、块、片剂及锭形式作为块体形式。在各种实施例中，碳热解物整体可具有三维(x,y,z)特点，其中此类尺寸中的每一者大于1.5，且优选地大于2厘米。

在各种碳热解物实施例中，碳热解物被提供为碳热解物吸附剂整体，其呈具有相同直径的盘状物品的形式，从而使此类物品能够在气体存储及分配容器中以垂直堆栈的方式堆栈以用于气体在其上可逆地存储。

现在参考图式，图1是利用根据本发明的一个实施例的碳热解物材料的安置在用于净化流过其中的气体的过程管线中的管线式气体净化器10的示意图。

如所说明，净化器10包括圆柱形细长形状的净化器容器12，其在容器的第一端与气体入口管线18以气体流动关系耦合，且在容器的与其第一端相对的第二端处与气体出口管线20以气体流动关系耦合。净化器容器12包含在其内界定封闭内部体积的限定圆柱形壁14，其由容器的第一及第二端处的端壁定界。在内部体积中安置根据本发明的颗粒碳热解物吸附剂。此类吸附剂对从气体入口管线18通过容器12的内部体积流到气体出口管线20的气体混合物的一或多种成分具有选择性吸附亲和性，使得此类成分选择性地从流过净化器的气体混合物中移除，以产生在此类成分中贫化的净化气体。

气体入口管线18及气体出口管线20可为半导体制造设施中的流动线路的部分，其中从气体入口管线18流到净化器的气体混合物需要从可选择性移除的组件中被净化。因此，净化器可净化将在半导体制造设施中的特定气体利用操作中利用的气体，或净化器可用于在气体被释放(所述气体是来自设施的流出物)之前从气体中移除残余的有毒或其它危害的成分。净化器可部署在洁净室及光刻轨道应用中。因此，碳热解物吸附剂材料可以颗粒形式作为粉末、珠粒、丸粒及类似者在净化器中利用。替代地，如果净化器中的压降足够低，那么可以整体形式提供碳热解物吸附剂材料。作为各种实施例中的另外布置，碳热解物吸附剂材料可提供在支撑材料或絮垫上，以实现气体与吸附剂材料的接触，使得通过此类接触从其中吸附移除不需要的成分。

图2是根据本发明的另一实施例的包括利用碳整体吸附剂的气体供应包装的存储及输送系统200的示意图。

如所展示，存储及输送系统200包括存储及分配容器204，存储及分配容器204在其上部接合到包括分配组合件的部分的阀头206，分配组合件包含用于气缸上的阀头的手动致动器208。代替此类手动致动器，可采用自动阀致动器，例如气动阀致动器，或其它合适类型的致动器。

阀头含有可在完全打开与完全关闭位置之间平移的阀(未展示)，以在阀打开时从容器204分配气体，或在阀处于完全关闭位置时保持存储在容器204中的气体。当阀打开用于分配时，气体可通过任何合适的方式从容器排出，包含将容器连接到其中保持低于容器中的压力的压力的流动线路，使得气体通过此类分配操作解吸并从容器分配。另外，或替代地，可加热容器以实现气体的解吸，用于从容器分配气体，同时阀打开用于此类分配。作为另一额外的或替代的操作模式，载气可流过容器的内部体积，以通过载气与容器中的碳热解物吸附剂材料上的吸附气体之间的所得质量传递浓度梯度进行解吸。

容器204可由任何合适的构造材料形成，例如包括例如金属、玻璃、陶瓷、玻璃质材料、聚合物及复合材料的材料。用于此类目的的说明性金属包含钢、不锈钢、铝、铜、黄铜、青铜及其合金。阀头通过耦合件210接合到分配管道212(其具有安置在其中的压力换能器214)、用于用惰性气体吹扫分配组合件的惰性吹扫单元216、用于在分配操作期间维持通过分配管道212的恒定流动速率的质量流动控制器220，及用于在分配气体从分配组合件排出之前从分配气体移除颗粒的过滤器222。

分配组合件进一步包括耦合件224，用于使分配组合件与下游管路、阀门或与解吸气体的使用场所相关联的其它结构(例如，化学合成反应器或微电子产品制造工具)配合地啮合。气体存储及分配容器204被展示为部分地剖开以展示内部整体碳热解物吸附剂，其包括盘205的垂直延伸堆栈，其可构成本发明的碳热解物材料，其具有合适的孔隙率及物理特性。盘205可具有相同或类似的直径(横向尺寸，垂直于容器204的纵轴)，其中堆栈中的连续邻近堆栈盘以面对面接触彼此邻接。

在容器内部体积中的堆栈盘阵列中的连续盘可各自为圆柱形形式，具有完全邻接堆栈中邻近盘的圆形端面的圆形端面，或盘可替代地在其边缘上倾斜，或在其周边上具有通道以促进气体进入及流出吸附剂物品的整个堆栈。

图3是根据本发明的另外实施例的包含气体存储及分配容器302的气体供应包装的透视横截面图，其将此类容器的内部结构展示为含有颗粒碳吸附剂。

如所展示，容器302包括壁346，壁346封闭容器的内部体积352，且含有根据本发明的颗粒碳热解物吸附剂350，例如以吸附剂的球形珠粒的形式。在容器的上端，在阀头304接合到的端口处，可提供多孔烧结管360或其它气体可渗透结构，用于防止来自碳热解物吸附剂材料的床的颗粒固体的分配气体中的夹带。阀头304与手动阀致动器轮306耦合，通过手动阀致动器轮306，阀头304中的阀(未展示)可在完全打开及完全关闭位置之间手动地平移，用于在打开位置中分配，以及在完全关闭位置中用于气体存储在容器。

除吸附剂效用之外，本发明的碳热解物材料还可不同地用于电化学能量装置的电极或其它能量存储或能量传递组件中，例如，在例如超级电容器的能量存储应用中。

图4是根据本发明的一个实施例的说明性电化学能量装置的示意图，所述电化学能量装置包括形成其间具有电解质的双电层电容器(EDLC)构型的碳热解物电极的布置。

根据本发明的另一实施例，图4的电化学能量装置430包括形成其间具有电解质436的EDLC构型的碳电极432及434的布置。电极432在其外面上被金属化以在其上构成集电器438，且电极434在其外面上被对应地金属化以在其上构成集电器440。

本发明的碳热解物材料可替代地用于构造其它配置的电化学能量装置。

无论针对电化学能量装置所采用的特定配置，具有与其关联金属元素的碳热解物形成电耦合到相应端子的电极，并在添加合适的电解质后就形成EDLC单元。电解质可包括有机或水性特点的液相电解质，或可包括固态电解质材料。

因此，本发明的碳热解物材料可用于制造电极，所述电极具有处置高电流密度的能力，展现高电流效率，在重复循环期间具有低容量衰减，且以其它方式展现高电容、高功率及高能量密度，并且在电化学双层电容器装置中适应高电压。

因此，应认识到，可根据本发明利用天然存在的碳水化合物源材料形成多种碳热解物材料，且多种天然存在的碳水化合物源材料(包含糖、淀粉、多糖、麦芽糖糊精等等)可用于制造此类碳热解物材料。

图5是展示粒子的良好粘附性且具有超过1.1g/cc的原材料密度的天然碳水化合物的压缩片剂的照片。

图6是具有>1.25g/cc的片密度的混合及固结糖片在被装载到用于热解的炉中时的照片。

图7是具有>1.32g/cc的测定密度的强自粘附多糖圆柱形块的照片。

图8是展示从各种天然淀粉源压缩的盘的大小范围的照片。

图9是已热转化成具有大于1.25g/cc的密度的碳热解物的若干淀粉盘的照片。

图10是具有为0.95g/cc的平均片密度的热解糖片的照片。

图11是展示经由预成型及受控的热解而制备的成型的碳热解物吸附剂片的各种形状及大小的照片。

图12是具有空间填充形状的碳热解物吸附剂物品的一个实施例的照片，其可经布置成使得邻近碳热解物吸附剂物品彼此接触，使得可采用对应碳热解物吸附剂物品阵列用于最大化适应于保持气体的吸附剂容器的封闭体积内的吸附剂密度，对于所述气体，碳热解物吸附剂具有吸附亲和性。

图13是从压缩马铃薯淀粉衍生的切割的固结碳吸附剂整体片的SEM显微照片，其密度为1.29g/cc，表面积为1300sq.m/g，且甲烷容量为116V/V。

图14是从压缩马铃薯淀粉衍生的图13的同一固结碳吸附剂整体的表面的SEM显微照片，其密度为1.29g/cc，表面积为1300sq.m/g，且甲烷容量为116V/V。

图15是图13及14的活化碳吸附剂整体中微孔隙率的较高放大率的SEM图像。

图16是根据一个实施例的由混合淀粉及麦芽糖糊精的直接压缩制备的碳热解物吸附剂盘的照片。

通过以下非限制性实例更充分地说明本发明的碳热解物材料的特征及优点。

实例1

获得天然玉米淀粉的供应物，且将自此供应物采取的淀粉样本称重并在实验室空气烘箱中加热到195℃以干燥并稳定此类前体材料。然后将干燥的淀粉在流动氮气下在管式炉中在600℃下热解。在冷却之后，使用Micromeritics ASAP 2420孔隙率计确定玉米淀粉衍生碳热解物的N₂BET表面积为578m²/克。

将来自同一供应物的另一玉米淀粉样本称重，并在约0.17mPa(25,000psi)的压力下压缩成片剂形式以获得预成型片剂。将片剂称重并测量以使能够确定每一片剂的片密度。压缩的玉米淀粉片剂的平均片密度为1.20克/cc。

然后将这些玉米淀粉片剂在流动氮气下在管式炉中在600℃的温度下热解。在冷却之后，将所得碳片剂称重并测量，并计算其片密度。玉米淀粉衍生碳片剂的平均片密度为0.90克/cc。分析玉米淀粉衍生碳片剂的N₂BET表面积，并发现其具有431m²/克的表面积。然后将玉米淀粉衍生碳片剂重新装载到管式炉中并在流动氮气中加热到600℃。接下来，将碳片剂进一步加热到735℃，在所述温度下将其暴露于流动CO₂中达足以达到20到25％烧尽(氧化重量损失)的时段，然后在氮气中将碳片剂冷却到室温。在此物理氧化活化之后，测量碳片剂的密度为0.78克/cc。然后测量活化碳片剂的N₂BET表面积并发现其表面积为890m²/克。

实例2

获得天然蔗糖、果糖、右旋糖及乳糖的供应物。将这些材料在实验室空气烘箱中在90℃下干燥，且然后装载到管式炉中，在管式炉中将这些气体在流动氮气吹扫下在600℃的温度下热解。在冷却到室温之后，移除样本并用研钵及研杵研磨以获得细粉末。使用Micromeritics ASAP 2420孔隙率计分析糖衍生碳粉末的N₂BET表面积。表1展示表面积测量的结果。

表1.糖衍生碳的表面积

碳源材料测定N₂BET表面积-m^2/g果糖698蔗糖620右旋糖634乳糖611

称出新的乳糖样本并在～138Mpa(约20,000psi)的成型压力下挤压每一材料的片剂。将样本装载到管式炉中以在受控条件及氮气吹扫下进行缓慢热解。乳糖产生密度为0.88克/cc的片剂。表2展示针对热解糖衍生碳样本所获取的数据。

表2.糖衍生碳片剂数据-片剂密度及表面积(SA)

碳源材料片剂密度-克/cc测定N₂BET>乳糖0.88497

然后将乳糖衍生碳片剂在流动CO₂中在900℃下氧化活化一时间段，选择所述时间段以实现约25到30％的重量损失(或烧尽)。结果是碳材料具有0.39克/cc的片密度及865m²/克的测定表面积。

实例3

获得天然马铃薯淀粉的供应物。将淀粉样本称重并在实验室空气烘箱中加热以在195℃的温度下干燥并稳定样本。然后将干燥的淀粉在流动氮气下在管式炉中在600℃的温度下热解。在冷却之后，使用Micromeritics ASAP 2420孔隙率计分析玉米淀粉衍生碳的N₂BET表面积。确定表面积为498m²/克。

接下来，称出同一马铃薯淀粉的另一样本并在约103.4Mpa(～15,000psi)下压缩成片剂形式以获得预成型片剂。将片剂称重并测量，使得可计算片密度。压缩的马铃薯淀粉片剂具有1.33克/cc的平均片密度。将许多马铃薯淀粉片剂在流动氮气下在管式炉中在600℃的温度下热解。在冷却之后，将所得碳片剂称重并测量，并计算片密度。马铃薯淀粉衍生碳片剂的平均片密度为1.29克/cc。分析马铃薯淀粉衍生碳片剂的N₂BET表面积并发现其具有459m²/克的表面积。

将马铃薯淀粉衍生碳片剂重新装载到管式炉中并在流动氮气中加热到600℃，且接着进一步加热到900℃，同时暴露于流动CO₂中达45分钟的时段，随后将片剂在氮气中冷却到室温。在此物理氧化活化之后，碳片剂的密度缩减到0.96克/cc。再次测量活化碳片剂的N₂BET表面积，并确定表面积已上升到910m²/克。对此吸附剂上的甲烷吸附的后续测量展示在21℃及35巴压力下为108cc>4/g的容量，其计算为104V/V。

实例4

称出实例3中所论述的同一马铃薯淀粉的另一样本，并在约223Mpa(～32,346psi)下压缩成圆柱形片剂形式以获得预成型片剂。将片剂称重并测量，使得可计算片密度。压缩的马铃薯淀粉片剂具有1.33克/cc的平均片密度。将许多马铃薯淀粉片剂在流动氮气下在管式炉中在600℃的温度下热解。在冷却之后，将所得碳片剂称重并测量，并计算片密度。马铃薯淀粉衍生碳片剂的平均片密度为1.14克/cc。分析马铃薯淀粉衍生碳片剂的N₂BET表面积，并发现其具有475m²/克的表面积。

将马铃薯淀粉衍生碳片剂重新装载到管式炉中并在流动氮气中加热到600℃，且接着进一步加热到775℃，同时暴露于流动CO₂中若干小时达39.9％wt烧尽的水平，随后将片剂在氮气中冷却到室温。在此物理氧化活化之后，碳片剂的密度减小到0.86克/cc。再次测量活化碳片剂的N₂BET表面积并确定表面积已上升到1210m²/克。对此吸附剂上的甲烷吸附的后续测量展示在21℃及35巴压力下为137.2cc>4/g的容量，这产生在35巴与1巴压力之间为106V/V的绝对CH₄工作容量。

实例5

获得天然小麦淀粉的供应物。将淀粉样本称重并在实验室空气烘箱中加热以在235℃的温度下干燥并稳定样本。然后将干燥的淀粉在流动氮气下在管式炉中在600℃的温度下热解。在冷却之后，使用Micromeritics ASAP 2420孔隙率计分析小麦淀粉衍生碳的N₂BET表面积。确定表面积为543m²/克。

称出同一小麦淀粉的另一样本并在约239.4Mpa(～34,724psi)下压缩成圆柱形片剂形式以获得预成型片剂。将片剂称重并测量，使得可计算片密度。压缩的小麦淀粉片剂具有1.32克/cc的平均片密度。将许多小麦淀粉片剂在流动氮气下在管式炉中在600℃的温度下热解。在冷却之后，将所得碳片剂称重并测量，并计算片密度。小麦淀粉衍生碳片剂的平均片密度为0.94克/cc。分析小麦淀粉衍生碳片剂的N₂BET表面积并发现其具有513m²/克的表面积。

将小麦淀粉衍生碳片剂重新装载到管式炉中并在流动氮气中加热到600℃，并接着进一步加热到800℃，同时暴露于流动CO₂中若干小时达29.4％wt烧尽的水平，随后将片剂在氮气中冷却到室温。在此物理氧化活化之后，碳片剂的密度缩减到0.82克/cc。再次测量活化碳片剂的N₂BET表面积并确定表面积已上升到1321m²/克。对此吸附剂上的甲烷吸附的后续测量展示在21℃及35巴压力下为136.5cc>4/g的容量，这产生在35巴与1巴压力之间为107V/V的绝对CH₄工作容量。

实例6

称出实例1中所论述的同一天然玉米淀粉的另一样本并在约185Mpa(～26,841psi)下压缩成圆柱形片剂形式以获得预成型片剂。将片剂称重并测量，使得可计算片密度。压缩的玉米淀粉片剂具有1.32克/cc的平均片密度。将许多玉米淀粉片剂在流动氮气下在管式炉中在600℃的温度下热解。在冷却之后，将所得碳片剂称重并测量，并计算片密度。玉米淀粉衍生碳片剂的平均片密度为0.99克/cc。分析玉米淀粉衍生碳片剂的N₂BET表面积并发现其具有537m²/克的表面积。

将玉米淀粉衍生碳片剂重新装载到管式炉中并在流动氮气中加热到600℃，并接着进一步加热到800℃，同时暴露于流动CO₂中若干小时达30.5％wt烧尽的水平，随后将片剂在氮气中冷却到室温。在此物理氧化活化之后，碳片剂的密度缩减到0.86克/cc。再次测量活化碳片剂的N₂BET表面积并确定表面积已上升到1251m²/克。对此吸附剂上的甲烷吸附的后续测量展示在21℃及35巴压力下为134.4cc>4/g的容量，这产生在35巴与1巴压力之间为103V/V的绝对CH₄工作容量。

实例7

获得天然木薯淀粉的供应物。将淀粉样本称重并在实验室空气烘箱中加热以在215℃的温度下干燥并稳定样本。然后将干燥的淀粉在流动氮气下在管式炉中在600℃的温度下热解。在冷却之后，使用Micromeritics ASAP 2420孔隙率计分析木薯淀粉衍生碳的N₂BET表面积。确定表面积为572m²/克。

称出同一木薯淀粉的另一样本并在约185Mpa(～26,831psi)下压缩成圆柱形片剂形式以获得预成型片剂。将片剂称重并测量，使得可计算片密度。压缩的木薯淀粉片剂具有1.33克/cc的平均片密度。将许多木薯淀粉片剂在流动氮气下在管式炉中在600℃的温度下热解。在冷却之后，将所得碳片剂称重并测量，并计算片密度。木薯淀粉衍生碳片剂的平均片密度为0.95克/cc。分析木薯淀粉衍生碳片剂的N₂BET表面积并发现其具有545m²/克的表面积。

将木薯淀粉衍生碳片剂重新装载到管式炉中并在流动氮气中加热到600℃，并接着进一步加热到775℃，同时暴露于流动CO₂中若干小时达47.4％wt烧尽的水平，随后将片剂在氮气中冷却到室温。在此物理氧化活化之后，碳片剂的密度缩减到0.64克/cc。再次测量活化碳片剂的N₂BET表面积并确定表面积已上升到1323m²/克。对此吸附剂上的甲烷吸附的后续测量展示在21℃及35巴压力下为122.7cc>4/g的容量，这产生在35巴与1巴压力之间为97V/V的绝对CH₄工作容量。

实例8

获得工业玉米淀粉衍生麦芽糖糊精的供应物。将麦芽糖糊精样本称重并在实验室空气烘箱中加热以在235℃的温度下干燥并稳定样本。然后将干燥的麦芽糖糊精在流动氮气下在管式炉中在600℃的温度下热解。在冷却之后，使用Micromeritics ASAP 2420孔隙率计分析玉米淀粉衍生麦芽糖糊精碳的N₂BET表面积。确定表面积为465m²/克。

称出同一玉米淀粉衍生麦芽糖糊精的另一样本并在约185.2Mpa(～26,857psi)下压缩成圆柱形片剂形式以获得预成型片剂。将片剂称重并测量，使得可计算片密度。压缩的麦芽糖糊精片剂具有1.36克/cc的平均片密度。将许多木薯淀粉片剂在流动氮气下在管式炉中在600℃的温度下热解。在冷却之后，将所得碳片剂称重并测量，并计算片密度。玉米淀粉衍生麦芽糖糊精碳片剂的平均片密度为1.06克/cc。分析玉米淀粉衍生麦芽糖糊精碳片剂的N₂BET表面积并发现其具有588m²/克的表面积。

将玉米淀粉衍生麦芽糖糊精碳片剂重新装载到管式炉中并在流动氮气中加热到600℃，并接着进一步加热到950℃，同时暴露于流动CO₂中仅3个小时达49.9％wt烧尽的水平，随后将片剂在氮气中冷却到室温。在此物理氧化活化之后，碳片剂的密度缩减到0.76克/cc。再次测量活化碳片剂的N₂BET表面积并确定表面积已上升到1581m²/克。对此吸附剂上的甲烷吸附的后续测量展示在21℃及35巴压力下为152.5cc>4/g的容量，这产生在35巴与1巴压力之间为121V/V的绝对CH₄工作容量。

实例9

在28与338Mpa(～4050psi到～49,000psi)之间的压缩条件范围下形成组合实例1及6中所论述的天然玉米淀粉与实例8中所论述的玉米淀粉衍生麦芽糖糊精的混合物的不同比率的圆柱形片剂以获得预成型片剂。将片剂称重并测量并以若干方式评估强度和其它重要的物理性质。混合材料遵循与用纯玉米淀粉或纯麦芽糖糊精所获得的性质的非常线性的混合物规则关系。

在热解到600℃后，就维持此混合物规则遵守。因此，确定麦芽糖糊精及玉米淀粉或可能的任何天然淀粉以最佳比率的混合可利用这些材料中的每一者的有益质量。

以下表3总结本文中所描述的若干实施例的性质。

表3.由碳水化合物制备的活性碳整体片剂的测定性质

实例10

选择淀粉衍生碳的若干样本用于测试三氟化硼吸附容量，这是由于此大的扁平分子提供对微孔碳中的狭缝状孔隙率的良好评估。已将所有淀粉衍生碳样本在流动氮气下在管式炉中在600℃的温度下热解。然后在600℃与1000℃之间的温度下在CO₂中氧化活化每一淀粉衍生碳样本以将表面积提高到大于1000平方米每克。

各自分析淀粉衍生碳片剂的烧尽水平、片剂密度及N₂BET表面积。然后，在21℃下，在模拟植入掺杂气体应用将采用的条件的真空摆动操作中，测试片剂的三氟化硼吸附容量及可交付物。将结果与PVDC衍生碳吸附剂的代表性样本进行比较。

表4展示此工作的结果。可看出，从多种淀粉及麦芽糖糊精衍生的高表面积碳吸附剂可实现与由PVDC碳所证实的重量吸附容量类似的针对BF₃的重量吸附容量。通过在约725托下吸附气体达到平衡并在21℃的等温条件下解吸回到20托以确定工作容量也证实将大部分吸附的BF₃输送到真空工艺(例如离子植入器)的能力。

表4.选定碳水化合物衍生碳吸附剂的三氟化硼容量数据

如本文中关于本发明的特征、方面及实施例不同地所阐述，本发明可在特定实施方案中被构成为包括下列各者、由下列各者组成或基本上由下列各者组成：此类特征、方面及实施例中的部分或全部，以及其被聚集以构成本发明的各种另外实施方案的元件及组件。本发明以各种排列及组合对应地将此类特征、方面及实施例或所选择的一或多个特征、方面及实施例设想为在本发明的范围内。

因此，虽然本文中已关于特定方面、特征及说明性实施例而阐述本发明，但应了解，本发明的效用并不因此受到限制，而是扩展到且涵盖众多其它变化、修改及替代实施例，这将为本发明的领域的一般技术人员基于本文中的描述所想到。对应地，在权利要求书中所主张的本发明希望被宽泛地解释及理解为在其精神及范围内包含所有此类变化、修改及替代实施例。