CN103011129B - 一种以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法 - Google Patents
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Abstract
一种以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法，它涉及一种石墨化纳米碳材料的制备方法。本发明要解决现有制备石墨化纳米碳材料方法存在生产成本高、工艺复杂、安全性差、产量低、难以实现工业化，且得到的石墨化纳米碳材料的比表面积低、石墨化程度差的问题。本发明制备方法如下：一、原料的预处理；二、原料与催化剂、活化剂配位；三：配合物固化；四：在惰性气体条件下进行热处理；五：酸浸处理，蒸馏水洗涤，干燥，即得高比表面积多孔石墨化纳米碳片。本发明制备的石墨化纳米碳片比表面积高，石墨化程度好且具有优异的电化学性能；方法简单、耗能低、安全性强，适合工业化生产；为生物废弃物椰壳资源化利用提供了一条科学途径。
Description
技术领域
本发明涉及一种多孔石墨化纳米碳片的方法。
背景技术
石墨化碳材料作为新一代功能材料，由于其优良的化学稳定性、高导电性和在低温下抗氧化性等优点在吸附、锂离子电池、超级电容器、生化传感器、生物医药及燃料电池等许多领域有着重要的应用价值。
众所周知，影响碳材料性能好坏的两个重要因素是石墨化程度和高比表面积，通过调控碳材料的比表面积和石墨化程度，可以赋予碳材料不同的综合性能并满足不同的使用要求，因此，近年来很多科学家致力于研究高比表面积多孔石墨化纳米碳的制备方法及其一些潜在的应用。
目前，传统工业制备石墨化纳米碳材料的方法主要有：化学气相沉积法、催化热解法、等离子体法、电子束辐照法、电弧放电法、激光蒸发法及热分解含碳金属化合物等方法。然而这些方法通常反应条件苛刻、工艺复杂、产率低；所使用的原料多为苯、甲苯、乙炔、甲烷等从煤、矿石中提取的非可再生资源。此外，从制备工艺上来看，传统工业方法虽然可以合成石墨化纳米碳材料，但反应过程需要在高温条件下（高于2000℃）进行、耗能大、成本高，同时导致制备的石墨化纳米碳材料比表面积低、石墨化程度差。以上所述制备石墨化纳米碳材料的方法在很大程度上限制石墨化纳米碳材料在商业方面的应用。
近几年，许多研究小组利用金属掺杂的碳气凝胶法和石墨化的介孔碳法合成具有含孔结构的石墨化纳米碳材料。金属掺杂的碳气凝胶法是用含过渡金属掺杂的碳气凝胶在高温惰性气体保护下碳化，得三维有序堆积的石墨化碳气凝胶，其比表面积为300~400m2g-1。虽然所得石墨化碳材料比表面积有所提高，但是仍不能满足实际应用的需要。石墨化的介孔碳法是以嵌段共聚物为模板剂、以酚醛树脂为碳源、氧化铁为催化剂，在900~1200℃氮气氛围下碳化，得到具有部分石墨化、高比表面积（500~1300m2g-1）的介孔碳材料。这种方法制备的石墨化碳材料虽然具有高的比表面积和良好的导电性，但它们的高能耗和原料的高成本已经成为人们愈来愈关注的问题。因此，探索新的合成方法来实现石墨化纳米碳材料的大量制备以及石墨化程度和比表面积的调控，对高比表面积多孔石墨化纳米碳材料的工业化生产具有重要的理论和实际意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有制备石墨化纳米碳材料方法存在生产成本高、工艺复杂、安全性差、产量低、难以实现工业化，且得到的石墨化纳米碳材料的比表面积低、石墨化程度差的问题，而提供一种以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法。
本发明的一种以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法，具体是按以下步骤操作的：一、采用酸处理法或碱处理法对椰壳进行预处理；二、向溶剂中加入催化剂、活化剂和步骤一预处理的椰壳，在温度为50~80℃、搅拌速度为100~350r/min条件下搅拌6~8h,得配合物；其中，椰壳与催化剂的质量比为1~5:1，椰壳与活化剂的质量比为1~5:1；三、在温度为50℃~200℃的条件下，将步骤二得到的配合物固化6~8h，得生成物；四、以1~15℃/min的速度升温至700℃~1100℃，然后在700℃~1100℃条件下热处理步骤三的生成物10min~5h，得产物，其中热处理气氛流量为60~1000mL/min，热处理气氛为惰性气体；五、用酸浸法处理步骤四的产物，然后在20℃~40℃下搅拌2~6h，再用蒸馏水洗涤至洗液pH为7.0，最后在温度为80℃~120℃的条件下干燥6~8h，即得到高比表面积多孔石墨化纳米碳片材料。
所述的以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法，步骤一中所述的原料为生物废弃物椰壳，它的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素。
所述的以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法，步骤一中所述的金属催化剂为氯化铜、硫酸铜、硝酸铜、氯化铁、氯化亚铁、硝酸铁、硝酸亚铁、硫酸铁、硫酸亚铁、铁氰化钾、亚铁氰化钾、三草酸合铁酸钾、氯化钴、硝酸钴、硫酸钴、乙酸钴、氯化镍、硝酸镍、硫酸镍、乙酸镍、氯化锰、硝酸锰、硫酸锰、乙酸锰中的一种或其中几种的混合。
所述的以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法，步骤一中所述的活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸、氯化锌、碳酸钾中的一种或其中几种的混合。
所述的以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法，步骤五中所述的酸浸处理步骤如下：产物在质量浓度为10%~30%的酸液中，温度为20℃~40℃的条件下搅拌4~6h，即完成了酸浸处理；其中酸溶液为盐酸溶液、硝酸溶液、磷酸溶液或醋酸溶液，产物与酸溶液的质量体积比为2g:50mL。
本发明包含以下有益效果：
1、本发明制备得到高比表面积（1874m2g-1）多孔石墨化纳米碳片，碳源为生物废弃物椰壳，可从根本上解决生物废弃物椰壳带来的环境污染问题。
2、本发明可以通过改变金属离子催化剂和活化剂的含量（能否从原理上进行说明），调节其石墨化的程度和比表面积大小。
3、本发明以自然界大量存在的廉价生物废弃物椰壳为碳源，通过简单的热处理方法合成出高比表面积多孔石墨化纳米碳片。与传统工业方法（2000℃以上）相比，反应过程在低温下（700℃~1100℃）进行，耗能小、生产安全性高并且反应所需设备简单，因此，从原料、生产过程到设备上都大大降低了生产成本，从而可以用于大规模生产。
4、本发明方法制备石墨化纳米碳片产品具有高的比表面积（1874m2g-1）和较强的石墨化程度，并且片层结构有利于电子的传输，因此有利于在燃料电池、锂离子电池和超大电容器方面的应用。
本发明制得的高比表面积多孔石墨化纳米碳片产品，与传统工业方法相比，采用了廉价生物废弃物椰壳为碳源，耗能小（反应在低温下进行）、反应所需设备简单，并且一次合成出的产品是传统工业方法得到产品的5~10倍，产品的比表积（1874m2g-1）是传统工业方法得到产品的比表面积（100~300m2g-1）的6~18倍，此外，本发明方法在反应过程中无有毒副产物生成，可通过改变热处理温度和活化剂的含量，调节其石墨化的程度和比表面积大小。本发明符合生物废弃物利用必须遵守的无资源化和能源化原则。
附图说明
图1是试验1所得的不同样品的拉曼图谱；
图2是试验1经过900℃处理所得样品的比表面积图谱；
图3是试验1经过900℃处理所得样品的20000倍透射电子显微镜图片；
图4是试验1经过900℃处理所得样品的50000倍透射电子显微镜图片；
图5是试验2经过900℃处理所得样品的50000倍透射电子显微镜图片。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式是一种以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法，具体是按以下步骤操作的：一、采用酸处理法或碱处理法对椰壳进行预处理；二、向溶剂中加入催化剂、活化剂和步骤一预处理的椰壳，在温度为50~80℃、搅拌速度为100~350r/min条件下搅拌6~8h,得配合物；其中，椰壳与催化剂的质量比为1~5:1，椰壳与活化剂的质量比为1~5:1；三、在温度为50℃~200℃的条件下，将步骤二得到的配合物固化6~8h，得生成物；四、以1~15℃/min的速度升温至700℃~1100℃，然后在700℃~1100℃条件下热处理步骤三的生成物10min~5h，得产物；其中热处理气氛流量为60~1000mL/min，热处理气氛为惰性气体；五、用酸浸法处理步骤四的产物，然后在20℃~40℃下搅拌2~6h，再用蒸馏水洗涤至洗液pH为7.0，最后在温度为80℃~120℃的条件下干燥6~8h，即得到高比表面积多孔石墨化纳米碳片材料。
本实施方式包含以下有益效果：
1、本实施方式制备得到高比表面积（1874m2g-1）多孔石墨化纳米碳片，碳源为生物废弃物椰壳，可从根本上解决生物废弃物椰壳带来的环境污染问题。
2、本实施方式可以通过改变金属离子催化剂和活化剂的含量（能否从原理上进行说明），调节其石墨化的程度和比表面积大小。
3、本实施方式以自然界大量存在的廉价生物废弃物椰壳为碳源，通过简单的热处理方法合成出高比表面积多孔石墨化纳米碳片。与传统工业方法（2000℃以上）相比，反应过程在低温下（700℃~1100℃）进行，耗能小、生产安全性高并且反应所需设备简单，因此，从原料、生产过程到设备上都大大降低了生产成本，从而可以用于大规模生产。
4、本实施方式方法制备石墨化纳米碳片产品具有高的比表面积（1874m2g-1）和较强的石墨化程度，并且片层结构有利于电子的传输，因此有利于在燃料电池、锂离子电池和超大电容器方面的应用。
本实施方式制得的高比表面积多孔石墨化纳米碳片产品，与传统工业方法相比，采用了廉价生物废弃物椰壳为碳源，耗能小（反应在低温下进行）、反应所需设备简单，并且一次合成出的产品是传统工业方法得到产品的5~10倍，产品的比表积（1874m2g-1）是传统工业方法得到产品的比表面积（100~300m2g-1）的6~18倍，此外，本实施方式方法在反应过程中无有毒副产物生成，可通过改变热处理温度和活化剂的含量，调节其石墨化的程度和比表面积大小。本实施方式符合生物废弃物利用必须遵守的无资源化和能源化原则。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的酸处理法对椰壳进行预处理的具体操作步骤如下：将椰壳加入到质量浓度为10%~15%的硝酸溶液中，在70~150℃条件下回流4~8h，即完成酸处理，其中椰壳与硝酸溶液的质量体积比为5g:50mL。其它与具体实施方式一不同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述的碱处理法对椰壳进行预处理的具体操作步骤如下：将椰壳加入质量浓度为10%~20%的KOH溶液中超声搅拌3~7h，再在100℃~200℃条件下水热反应2~5h，用蒸馏水洗涤至洗液pH为7.0，再在80℃~100℃条件下烘干6~8h，即完成碱处理，其中椰壳与KOH溶液的质量体积比为5g:50mL。其它与具体实施方式一或二不同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：水、甲醇、乙醇、乙二醇或二乙二醇中的一种或其中几种按任意比混合。其它与具体实施方式一至三之一不同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中所述的催化剂为氯化铜、硫酸铜、硝酸铜、氯化铁、氯化亚铁、硝酸铁、硝酸亚铁、硫酸铁、硫酸亚铁、铁氰化钾、亚铁氰化钾、三草酸合铁酸钾、氯化钴、硝酸钴、硫酸钴、乙酸钴、氯化镍、硝酸镍、硫酸镍、乙酸镍、氯化锰、硝酸锰、硫酸锰、乙酸锰中的一种或其中几种按任意比混合。其它与具体实施方式一至四之一不同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中所述的活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸、氯化锌、碳酸钾中的一种或其中几种按任意比混合。其它与具体实施方式一至五之一不同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中所述的椰壳与催化剂的质量比为3:1。其它与具体实施方式一至六之一不同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中所述的椰壳与活化剂的质量比为3:1。其它与具体实施方式一至七之一不同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四所述的惰性气体为氮气、氩气、氦气中的一种或其中几种按任意比混合。其它与具体实施方式一至八之一不同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤五所述酸浸法步骤如下：产物在质量浓度为10%~30%的酸液中，温度为20℃~40℃的条件下搅拌4~6h，即完成了酸浸处理；其中，酸溶液为盐酸溶液、硝酸溶液、磷酸溶液或醋酸溶液，产物与酸溶液的质量体积比为2g:50mL。其它与具体实施方式一至九之一不同。
本实施方式针对晶态纳米碳材料制备过程中设备昂贵、产率低，步骤复杂，及材料比表面积低等问题，考虑可持续发展的需要，以廉价及可再生的生物质废弃物椰壳为碳源,发展了制备碳材料的绿色工艺，所制得的石墨化多孔碳材料具有很高的比表面积，连通的分级孔结构，及优良的导电性。
采用下述试验验证发明效果：
试验一：
本试验的一种以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法，具体是按以下步骤完成：
一、采用碱处理法对椰壳进行预处理；二、在温度为80℃、搅拌速度为200r/min的条件下将适量的预处理的椰壳、氢氧化钠和氯化铁加入到100mL水溶液中，搅拌3h；三、在温度为100℃条件下固化步骤二得到的配合物；四、热处理:以10℃/min的升温速度由室温升至700~1100℃，再在700~1100℃条件下热处理步骤三的生成物30min，其中热处理气氛流量为100mL/min，热处理气氛为99.99%的氮气；五、用酸浸法处理步骤四的产物，在40℃下搅拌6h后，用蒸馏水洗涤至洗液的pH为7，然后在温度为80℃的条件下干燥5h，即得高比表面积多孔石墨化纳米碳片材料。
本试验步骤一中所述的碱处理法预处理椰壳是按下述反应进行的：将椰壳加入质量浓度为20%的KOH溶液中超声搅拌7h，再在温度为100℃的条件下水热反应5h，用蒸馏水洗涤至洗液的pH=7，再在100℃条件下烘干5h,其中椰壳与KOH溶液的质量体积比为5g:50mL。
本试验步骤二中加入的椰壳、氢氧化钠和氯化铁质量比为1:1:1。
本试验的如表1以及图1至图4所示。
表1是试验1所得的不同样品的的石墨碳拉曼峰面积比值图谱
| 碳化温度 | SD | SG | SG/SD |
| 700℃ | 2694 | 4710 | 1.748 |
| 800℃ | 2320 | 4845 | 2.088 |
| 900℃ | 683 | 2776 | 4.064 |
| 1000℃ | 780 | 4050 | 5.192 |
| 1100℃ | 721 | 5108 | 7.084 |
图1是经700℃~1100℃处理得到的高比表面积多孔石墨化纳米碳片材料的拉曼谱图。由图1可见，出现明显的石墨的拉曼振动峰，并且在2700波数左右出现尖锐的2D峰，同时，从表1的数据可以看出，随着处理温度的升高SG/SD逐渐增大，表明样品的石墨化程度随着温度的升高逐渐增强。图2的N2吸附/脱附图说明石墨化纳米碳片具有高的SBET面积（1874m2g-1）。图3显示了经900℃处理所得产品的20000倍透射电子显微镜图片，从图3中可以看出，样品呈现片层多孔结构，石墨化程度较高。图4是50000倍透射电子显微镜高分辨图片可以明显显示出石墨的002晶面的衍射条纹，进一步说明了高比表面积多孔石墨化纳米碳片的生成。
试验二：
本试验的一种以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法，具体是按以下步骤完成：
一、采用酸处理法对椰壳进行预处理；二、在温度为80℃、搅拌速度为300r/min的条件下将适量预处理的椰壳、氯化锌和氯化镍加入到100mL乙醇溶液中，搅拌8h；三、在温度为50℃条件下固化步骤二得到的配合物；四：热处理:以15℃/min的升温速度由室温升至700~1100℃，再在700~1100℃条件下热处理步骤三的生成物10min~5h，其中热处理气氛流量为100mL/min，热处理气氛为99.99%的氩气；五：用酸浸法处理步骤四的产物，在40℃下搅拌6h后，用蒸馏水洗涤至洗液的pH为7，然后在温度为120℃的条件下干燥5h，即得高比表面积多孔石墨化纳米碳片材料。
本试验步骤一中所述的酸处理法预处理椰壳是按下述反应进行的：将椰壳加入到质量浓度为15%的硝酸溶液中，在150℃条件下回流8h，其中椰壳与硝酸溶液的质量体积比为5g:50mL。
本试验步骤二中加入的原料、氯化锌和氯化镍质量比为1:3:1。
本试验实现了高比表面积多孔石墨化纳米碳片的制备。
对本试验制备的高比表面积多孔石墨化纳米碳片电镜透射，得到50000倍透射电子显微镜高分辨图片如图5所示，通过图5证实本试验制备的高比表面积多孔石墨化纳米碳片是片层多孔结构，进一步说明了高比表面积多孔石墨化纳米碳片的生成。
Claims (6)
1.一种以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法，其特征在于以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法是按照以下步骤进行的：一、采用酸处理法或碱处理法对椰壳进行预处理；二、向溶剂中加入催化剂、活化剂和步骤一预处理的椰壳，在温度为50～80℃、搅拌速度为100～350r/min条件下搅拌6～8h,得配合物；其中，椰壳与催化剂的质量比为1～5:1，椰壳与活化剂的质量比为1～5:1；三、在温度为50℃～200℃的条件下，将步骤二得到的配合物固化6～8h，得生成物；四、以1～15℃/min的速度升温至700℃～1100℃，然后在700℃～1100℃条件下热处理步骤三的生成物10min～5h，得产物，其中热处理气氛流量为60～1000mL/min，热处理气氛为惰性气体；五、用酸浸法处理步骤四的产物，然后在20℃～40℃下搅拌2～6h，再用蒸馏水洗涤至洗液pH为7.0，最后在温度为80℃～120℃的条件下干燥6～8h，即得到高比表面积多孔石墨化纳米碳片材料；
步骤一中所述的酸处理法对椰壳进行预处理的具体操作步骤如下：将椰壳加入到质量浓度为10％～15％的硝酸溶液中，在70～150℃条件下回流4～8h，即完成酸处理，其中椰壳与硝酸溶液的质量体积比为5g:50mL；
步骤一中所述的碱处理法对椰壳进行预处理的具体操作步骤如下：将椰壳加入质量浓度为10％～20％的KOH溶液中超声搅拌3～7h，再在100℃～200℃条件下水热反应2～5h，用蒸馏水洗涤至洗液pH为7.0，再在80℃～100℃条件下烘干6～8h，即完成碱处理，其中椰壳与KOH溶液的质量体积比为5g:50mL；
步骤二中所述的活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸、氯化锌、碳酸钾中的一种或其中几种按任意比混合；
步骤四所述的惰性气体为氮气、氩气、氦气中的一种或其中几种按任意比混合。
2.根据权利要求1所述的一种以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法，其特征在于步骤二中所述的溶剂为水、甲醇、乙醇、乙二醇或二乙二醇中的一种或其中几种按任意比混合。
3.根据权利要求1所述的一种以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法，其特征在于步骤二中所述的催化剂为氯化铜、硫酸铜、硝酸铜、氯化铁、氯化亚铁、硝酸铁、硝酸亚铁、硫酸铁、硫酸亚铁、铁氰化钾、亚铁氰化钾、三草酸合铁酸钾、氯化钴、硝酸钴、硫酸钴、乙酸钴、氯化镍、硝酸镍、硫酸镍、乙酸镍、氯化锰、硝酸锰、硫酸锰、乙酸锰中的一种或其中几种按任意比混合。
4.根据权利要求1所述的一种以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法，其特征为在于步骤二中所述的椰壳与催化剂的质量比为3:1。
5.根据权利要求1所述的一种以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法，其特征为在于步骤二中所述的椰壳与活化剂的质量比为3:1。
6.根据权利要求1所述的一种以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法，其特征在于步骤五所述酸浸法步骤如下：产物在质量浓度为10％～30％的酸液中，温度为20℃～40℃的条件下搅拌4～6h，即完成了酸浸处理；其中，酸溶液为盐酸溶液、硝酸溶液、磷酸溶液或醋酸溶液，产物与酸溶液的质量体积比为2g:50mL。
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