CN103588190B - 一种由木质纤维素制备碳微球的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种由木质纤维素制备碳微球的方法，该方法以木质纤维素为碳源，在高温水环境中生成碳微球。本发明制备的微球分散性好，碳微球直径约为50-1000nm。本发明以可再生的木质纤维素为碳源，原料来源广泛；水热反应强度低、工艺简单，无需添加化学试剂，环境友好；制备的碳微球尺寸可控、分散性好，并且反应条件温和，操作简单，可与多种生物炼制工艺耦合。
Description
技术领域
本发明属于纳米碳材料制备技术领域，具体涉及一种由木质纤维素制备碳微球的方法。
背景技术
碳微球具有密度低、本征阻尼性能好、热稳定性和化学稳定性高、比表面积可控和生物相容性好等优点，是近年来碳材料研究热点之一。碳微球在轻质结构材料、金属基阻尼材料、催化剂载体、锂离子电池负极材料、超级电容器材料和燃料电池等领域具有广阔的应用前景。
目前合成碳微球的方法有多种，如电弧放电法、化学气相沉积法以及水热法等。水热法以其原料来源广泛、工艺简单、成本低廉、绿色环保等优势，逐步成为制备碳微球的优选途径。多种糖类物质，如葡萄糖、木糖、蔗糖等，都可以作为碳源，在高温高压的环境下，通过脱水、聚合等反应，生成碳微球。目前制备碳微球所需的反应温度一般要达到200℃以上，反应时间要维持数小时,反应强度过高是目前制备碳微球面临的主要问题。
木质纤维素类生物质主要是由碳、氢、氧三种元素组成，其中碳元素含量达到了50%，是制备碳材料的理想原料。有研究发现玉米芯通过浓硫酸水解，可以得到以木糖为主的五碳糖和以葡萄糖为主的六碳糖，两种糖均可通过水热法制备碳微球，这就证明了木质纤维素类生物质制备碳微球路线的可行性，将是未来的发展方向。但是，浓硫酸处理木质纤维素会带来一系列问题，如硫酸的引入会产生大量的酸性废水，处理酸性废水会大大增加生产成本，增加系统工艺的复杂性等。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种木质纤维素制备碳微球的方法，该方法以木质纤维素为原料，利用水热法制备碳微球。
为实现上述目的，本发明提供了一种由木质纤维素制备碳微球的方法，以木质纤维素为碳源，经过水热反应后，离心分离，收集得到直径为50-1000nm的碳微球，其中，水热反应条件为：温度为120-200℃，时间为1-200分钟。
具体的，本发明提供的以木质纤维素制备碳微球的方法，包括以下步骤：
1）将木质纤维素粉碎至1-10mm大小，与水混合，反应时间为1～200min，固液比为1:5-1:50；所述水为自来水或去离子水；
优选的，所述木质纤维素包括玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秆、高粱秆、杨木和松木中的一种或多种。
2）将木质纤维素和水的混合物加入到可搅拌高温水反应器中，反应器温度控制在120-200℃，反应结束后冷却至室温。冷却到室温的方式包括冷凝水冷却或自然冷却。
优选的，反应时搅拌速度为0～200RPM。
步骤3：将步骤2得到的反应产物进行固液分离，液相部分离心收集，得到的固体经去离子水洗涤，得到分散性好的碳微球。
本发明得到的碳微球分散性好，尺寸可控，碳微球的直径在50-1000nm。
本发明所述一种木质纤维素制备碳微球的方法具有以下优点：以可再生的木质纤维素为碳源，原料来源广泛；水热反应强度低、工艺简单，无需添加化学试剂，环境友好；制备的碳微球尺寸可控、分散性好。
附图说明
图1、实施例1制备的碳微球的扫描电镜（SEM）照片。
图2、实施例3制备的碳微球的扫描电镜（SEM）照片。
具体实施方式
以下为本发明的一些优选实施例，其仅用作对本申请的解释而不是限制。
实施例1：
步骤1：将玉米秸秆粉碎至1厘米大小，与自来水混合，固液比为1:10。
步骤2：将玉米秸秆和水的混合物加入到可搅拌高温水反应器中，反应器温度控制在160℃，反应时间为20分钟，搅拌速度为100转/分，反应结束后，冷凝水冷却或自然冷却至室温。
步骤3：将步骤2得到的反应产物经过滤布进行固液分离，液相部分离心收集（7000rpm×10min），然后经过去离子水洗涤，得到分散性好的碳微球，其SEM图片如图1所示，其平均粒径约为200nm。
实施例2：
步骤1：将小麦秸秆粉碎至0.1厘米大小，与去离子水混合，固液比为1:20。
步骤2：将小麦秸秆和水的混合物加入到可搅拌高温水反应器中，反应器温度控制在190℃，反应时间为5分钟，搅拌速度为100转/分，反应结束后，冷凝水冷却或自然冷却至室温。
步骤3：将步骤2得到的反应产物经过滤布进行固液分离，液相部分离心收集（7000rpm×10min），然后经过去离子水洗涤，得到分散性好的碳微球，其平均粒径约为600nm。
实施例3：
步骤1：将杨木粉碎至0.1厘米大小，与自来水混合，固液比为1:20。
步骤2：将杨木和水的混合物加入到可搅拌高温水反应器中，反应器温度控制在180℃，反应时间为30分钟，搅拌速度为80转/分，反应结束后，冷凝水冷却或自然冷却至室温。
步骤3：将步骤2得到的反应产物经过滤布进行固液分离，液相部分离心收集，然后经过去离子水洗涤，得到分散性好的碳微球，其SEM图片如图2所示，其平均粒径为800nm。
实施例4：
步骤1：将松木粉碎至1厘米大小，与去离子水混合，固液比为1:10。
步骤2：将松木和水的混合物加入到可搅拌高温水反应器中，反应器温度控制在140℃，反应时间为80分钟，搅拌速度为150转/分，反应结束后，冷凝水冷却或自然冷却至室温。
步骤3：将步骤2得到的反应产物经过滤布进行固液分离，液相部分离心收集，然后经过去离子水洗涤，得到分散性好的碳微球，其平均粒径为200nm。
实施例5：
步骤1：将水稻秆粉碎至0.6厘米大小，与自来水或去离子水混合，固液比为1:15。
步骤2：将水稻秆和水的混合物加入到可搅拌高温水反应器中，反应器温度控制在170℃，反应时间为130分钟，搅拌速度为100转/分，反应结束后，冷凝水冷却或自然冷却至室温。
步骤3：将步骤2得到的反应产物经过滤布进行固液分离，液相部分离心收集，然后经过去离子水洗涤，得到分散性好的碳微球，其平均粒径约为600nm。
Claims (4)
1.一种由木质纤维素制备微球的方法，包括以下步骤：
1)将木质纤维素粉碎至1-10mm，与水混合；
2)将木质纤维素和水的混合物加入高温水反应器中反应，反应器温度控制在120-200℃，反应1～200min，反应结束后冷却至室温；
3)将步骤2）得到的反应产物进行固液分离，得到的液相部分再进行离心，收集其中的固体，然后经去离子水洗涤，得到分散性好的碳微球。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述木质纤维素包括玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秆、高粱秆、杨木和松木中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水为去离子水或自来水。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述木质纤维素和水的固液比为1：5～1：50。
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