CN104058391A - 一种低温下使用催化剂使木粉石墨化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于低温催化石墨化领域，涉及一种使用高分子化学物与金属或金属化合物的混合物作为催化剂进行木粉催化石墨化的方法。本发明使用的催化剂为高分子化合物与金属或金属化合物的混合物，在惰性气体保护下，使用该催化剂可在低温400——1600℃之下将木粉进行石墨化。本发明涉及的催化石墨化方法工艺流程简洁，操作简单，且催化石墨化效果好，制备的石墨化材料石墨化度高，可达100％。

Description

一种低温下使用催化剂使木粉石墨化的方法

技术领域：

本发明涉及低温催化石墨化领域，具体的说是使用高分子化学物与金属或金属化合物的混合物作为催化剂进行木粉催化石墨化的方法。

背景技术：

石墨化是利用热活化将热力学不稳定的炭原子实现由乱层结构向石墨晶体结构的有序转化，因此，在石墨化过程中，要使用高温热处理(HTT)对原子重排及结构转变提供能量。为了使难石墨化炭材料的石墨化度得到提高，也为了达到有效降低转化温度的目的，可以适当的使用一些催化剂进行石墨化，称为催化石墨化。催化石墨化的历史由来已久，具体可以追溯到19世纪末。在上个世纪的六七十年代，催化石墨化曾经得到迅速的研究和发展。

石墨化的主要原料是有机物，这在当今仍是非常重要的研究方向。生物质作为植物通过光合作用产生的有机物，在自然界广泛存在，自然是石墨化的热门研究方向之一。

1997年，Nagle D C和Byme CE等第一次研究了郁金香书在炭化过程中密度、尺寸收缩、残炭率和结晶度随温度变化情况，并测定证实：2500℃下的炭化，材料组份仍以无定性炭为主。随温度的增加，碳材料有序化程度增加。

2001年，Kim等人在前任研究的基础上，分别用藻类植物、亚麻等原料，将碳材料在2000℃下石墨化。但是测定发现，炭化组份仍是无定型炭结构。

2003年，Uraki首次采用乙酸镍为催化剂，实现了1000℃条件下的桦树木质素炭化，虽然得到的炭化组份不甚理想。随后Hata课题组和Sevilla课题组分别使用了不同金属催化剂在低温下实现了生物质的低温石墨化。

在国内，目前进行此类研究的主要为大连化物所和沈阳金属所。目前进行的研究方向为将吡咯加入生物质中(纤维纸、棉花、木材等)，用三氯化铁作为催化剂实现生物质的低温催化石墨化。

上述研究案例很多，但是相对来讲，热处理温度都要求较高，工艺十分繁复、复杂。同时，石墨化结果也并不理想，石墨组分里掺杂了部分无定性炭，或者石墨化度无法满足需求。

发明内容：

本发明为了克服上述现有技术的不足之处，提供了一种相对低温下、使用高分子化学物作为催化剂进行木粉催化石墨化的方法。

本发明解决问题的方法采用如下技术方案：

1.低温下木粉催化石墨化的特点在于：使用高分子化合物(如聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺、聚氨酯等)，加入金属粉末(铁、钴、镍、铜等)或者含有这些金属的化合物(如氧化物、氢氧化物、氯化物等)为催化剂，对木粉进行催化石墨化；所述木粉颗粒直径应小于40μm。

2.本发明所述的催化剂所用高分子化合物与金属粉末的质量比为1∶0.9——0.9∶1，金属化合物以其中所含金属质量计算。

3.本发明所述的催化剂的添加量为木粉质量的5％——15％，优选10％。

4.本发明所述的催化石墨化温度为400-1600℃，优选温度为800-1200℃。

5.本发明所述的催化石墨化在惰性气体保护下进行。

6.低温下木粉催化石墨化的操作步骤如下：

(1)将上述方案1中所述催化剂加入木粉中混合均匀，得到预混料；

(2)在惰性气体保护下，将步骤(1)得到的预混料升温至石墨化温度，并保持至少2小时使其充分石墨化。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1.催化剂选择范围广，高分子化合物容易得到，金属或金属化合物价格低廉；

2.本发明涉及的催化石墨化方法工艺流程简洁，操作简单；

3.本发明石墨化温度较低，400-1600℃均可使木粉石墨化；其中优选温度为800-1200℃；

4.本发明所述的催化石墨化效果好，石墨化度可达100％。

附图说明：

图1.木粉催化石墨化得到的石墨化材料的XRD图。

具体实施方式：

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述。

实施例：对桦树木粉催化石墨化的实验

(1)制备预混料

取高分子化合物聚甲基丙烯酸甲酯与金属铁以1∶1的质量混合均匀，得到催化剂；

原材取桦木，中国北方产，6年树龄。将桦木粉碎，筛选直径小于40μm的颗粒，按照木粉：催化剂质量比1∶9的比例将其加入上述催化剂中混合均匀，得到预混料。

(2)升温进行催化石墨化

在惰性气体氮气的保护下，将步骤(1)制得的预混料以3℃/Min左右的速率升温至1200℃，石墨化开始；保持此温度至少2个小时，保证材料完全石墨化，最终得到石墨化材料。

(3)石墨化效果评价

使用X射线衍射测试，如说明书附图1，发现制备的石墨化材料衍射角2θ为26.55°，相应的晶面间距为0.33554nm。

理想石墨的衍射角2θ＝26.55°，d₀₀₂＝0.3354nm，可见石墨化效果非常理想，石墨化度达到了100％。

Claims (8)

1.一种低温木粉催化石墨化的方法，其特征在于：使用高分子化合物与金属粉末或者含有相应金属的化合物为催化剂，可在较低温度下对木粉进行催化石墨化。

2.根据权利要求1所述的高分子化合物，包括：聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺、聚氨酯、聚碳酸酯、聚砚、聚酰亚胺、聚芳醚、聚芳酰胺。

3.根据权利要求1所述的金属粉末包括：铁、钴、镍、铜；此类金属的化合物包括：氧化物、氢氧化物、氯化物。

4.根据权利要求1所述的木粉为木材粉碎、筛选所得，木粉颗粒直径应小于40μm。

5.根据权利要求1所述的催化剂所用高分子化合物与金属粉末的质量比为1∶0.9——0.9∶1，金属化合物以其中所含金属质量计算。

6.根据权利要求1所述的催化剂的添加量为木粉质量的5％——15％，优选10％。

7.根据权利要求1所述的催化石墨化温度为400-1600℃，优选温度为800-1200℃。

8.根据权利要求1所述的低温催化石墨化操作包含以下步骤(1)和步骤(2)：

(1)根据权利要求向5制备催化剂，按照权利要求项6的比例将催化剂与木粉混合均匀，制得预混料；

(2)在惰性气体保护下，将步骤(1)得到的预混料升温至权利要求项7所述的石墨化温度，并保持至少2小时使其充分石墨化。