CN104458485B - 一种生物质导电炭中石墨微晶的测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物质导电炭中石墨微晶的测定方法。包括以下步骤：1）将生物质导电炭浸渍于酸溶液中，洗去灰分和催化剂；2）将酸洗后的生物质导电炭用去离子水滤洗后置在干燥炉中进行加热烘干；3）测量电阻率并根据电阻率的大小决定称取样品的质量；4）在马沸炉(300～500℃)中,空气气氛中，将无定形碳氧化去除，分离出石墨微晶；5）最后分析石墨微晶的含量，定量描述生物质导电炭制备过程中石墨化的进程。与现有的技术相比，本发明将石墨微晶从生物质导电炭中彻底分离开来，实现了无定形碳与石墨微晶转变的量化，提供了一种更易于工业应用的石墨微晶的测定方法。

Description

一种生物质导电炭中石墨微晶的测定方法
技术领域
本发明涉及一种生物质导电炭中石墨微晶的测定方法，属于生物质能清洁利用领域。
背景技术
随着电子技术不断发展，手机、电脑、电视、微波炉的普及以及计算机通讯网络、无线电、电视发射台和转播台的建立使得人们无时无刻不暴露在电磁波的危害中，电磁污染也被认为是继空气污染、水污染、噪音污染后的又一大污染源。当下常用的电磁屏蔽材料主要以金属材料为主，但是成本高、易腐蚀、密度大等缺点限制了它的大规模使用。
生物质作为一种可再生资源，具有清洁、安全、可持续等特点。中国作为一个传统的农业大国，拥有巨大的生物质资源，如何有效利用这些资源将成为未来研究的重点。研究表明生物质在高温催化炭化后得到的生物质导电炭具有较好的导电性，这为它替代传统金属材料成为新的电磁屏蔽材料提供了可能。
生物质导电炭中主要含有无定形碳和石墨晶体两种结构。无定形碳内部结构的碳原子六角形环状平面形成的层状结构零乱而不规则，晶体形成有缺陷，总体来说属于非晶体，导电性比较差；而在石墨结晶体中，同层的六个碳原子以sp2杂化方式在同一个平面上形成了正六连连形的环，伸展成片层结构，在同一平面的碳原子还各剩下一个p轨道，它们相互重叠，电子比较自由，因而导电性比较好。生物质导电炭具有导电特性的原因一般认为是在高温催化炭化过程中，无定形碳不断地石墨化，导致石墨微晶的含量相应地增加，因而生物质导电炭的导电性能与石墨化的进程是密切相关的。
现阶段常用的表征石墨化程度的分析技术主要有XRD和拉曼光谱等。XRD分析一般只能用于物相的定性分析，而对于定量分析则要求极高的标准样品且需要繁琐的标定过程，实际中应用很少。拉曼分析主要通过D峰和G峰的强度来表征石墨化程度，但至今没有一个统一的分析标准，因而以此进行定量分析并不是很准确。本发明针对现有技术的不足，将石墨微晶分离出来再进行分析，提供了一种更为简单、准确、易于实际应用的方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种生物质导电炭中石墨微晶的测定方法。
生物质导电炭中石墨微晶的测定方法包括以下步骤：
1）酸洗处理：将生物质导电炭浸渍到酸溶液中搅拌12～24h；
2）洗涤干燥：将步骤1）中酸洗后的生物质导电炭置于滤纸上，用去离子水进行滤洗直至滤液呈中性后，置于100℃～150℃的干燥箱内干燥3～6h，冷却至常温；
3）测量电阻并取样：测量经过步骤2）处理后产物的体积电阻率ρ，并称取质量为m1的样品3～5份，当电阻率ρ≤1Ω·cm时，取m1=2.000g，1Ω·cm<电阻率ρ≤10Ω·cm时，取m1=5.000g；
4）石墨微晶的分离：将步骤3）中的3～5份样品置于马沸炉中，空气气氛下，温度300～500℃之间灼烧4～5h，冷却至常温，称量，当最后两次称量质量差小于0.001g且时间间隔大于15min时，获得生物质导电炭中石墨微晶，称取质量为m2；
5）石墨微晶的测定：每份生物质导电炭样品中石墨微晶的含量为m2/m1，取平均值。
所述的步骤1）中酸溶液为盐酸或硝酸，摩尔浓度为1mol/L。
本发明的有益效果为：针对XRD 和拉曼分析的缺点，本方法具有，操作简单、定量数据测量、直接获得石墨微晶，排除无定形炭的干扰等等。
附图说明
图1为900℃采用镍基催化剂的XRD图；
图2为900℃没有采用催化剂的XRD图。
具体实施方式
无定形碳总体上属于非晶体，而石墨微晶属于晶体，两者结构上的差异，使得两者具有截然不同的物理性质。本发明首先用酸洗去生物质导电炭中的灰分和催化剂，只留下无定形碳和石墨微晶；再通过电阻率的大小初步判断石墨化程度，决定下一步进一步进行处理的样品的质量；最后利用无定形碳和石墨微晶的氧化温度巨大差异，使得无定形碳在300～500℃之间率先氧化而留下石墨微晶的结构，从而实现了石墨微晶的分离，可定量描述生物质导电炭制备过程中石墨化的转变进程，为制备导电性更好的生物质导电炭提供相应的数据和参数支持。
生物质导电炭中石墨微晶的测定方法包括以下步骤：
1）酸洗处理：将生物质导电炭浸渍到酸溶液中搅拌12～24h；
2）洗涤干燥：将步骤1）中酸洗后的生物质导电炭置于滤纸上，用去离子水进行滤洗直至滤液呈中性后，置于100℃～150℃的干燥箱内干燥3～6h，冷却至常温；
3）测量电阻并取样：测量经过步骤2）处理后产物的体积电阻率ρ，并称取质量为m1的样品3～5份，当电阻率ρ≤1Ω·cm时，取m1=2.000g，1Ω·cm<电阻率ρ≤10Ω·cm时，取m1=5.000g；
4）石墨微晶的分离：将步骤3）中的3～5份样品置于马沸炉中，空气气氛下，温度300～500℃之间灼烧4～5h，冷却至常温，称量，当最后两次称量质量差小于0.001g且时间间隔大于15min时，获得生物质导电炭中石墨微晶，称取质量为m2；
5）石墨微晶的分析：每份生物质导电炭样品中石墨微晶的含量为m2/m1，取平均值。
所述的步骤1）中酸溶液为盐酸或硝酸，摩尔浓度为1mol/L。
以下将结合具体的实例对本发明作进一步的阐述，但不会以任何方式限制本发明。
实施例1
1）生物质导电炭的制备：根据国家发明专利：一种生物质导电炭的制取方法（ZL 200810023948.3）提及的方法，以氧化镍与氧化钙质量比1:1混合，950℃炭化1h，制备生物质导电炭；
2）酸洗处理：将生物质导电炭浸渍到摩尔浓度为1mol/L的盐酸溶液中搅拌12h；
3）洗涤干燥：将步骤1）中酸洗后的生物质导电炭置于滤纸上，用去离子水进行滤洗直至滤液呈中性后，置于温度为100℃的干燥箱内干燥3h，冷却至常温；
4）测量电阻并取样：测量经过步骤3）处理后产物的体积电阻率ρ=0.046Ω·cm≤1Ω·cm，所以称取质量m1=2.000g的样品3份；
5）石墨微晶的分离：将步骤4）中的3份样品置于马沸炉中，空气气氛下，温度控制在300℃灼烧4～5h，冷却至常温，称量，当最后两次称量质量差小于0.001g且时间间隔大于15min时，获得生物质导电炭中石墨微晶，三份样品石墨微晶的质量m2=0.413g、0.410g、0.413g；
6）石墨微晶的测定：每份生物质导电炭样品中石墨微晶的含量为m2/m1=20.7%、20.5%、20.7%，取平均值20.6%。
实施例2
1）生物质导电炭的制备：根据国家发明专利：一种生物质导电炭的制取方法（ZL 200810023948.3）提及的方法，以氧化镍与氧化钙质量比1:1混合，950℃炭化1h，制备生物质导电炭；
2）酸洗处理：将生物质导电炭浸渍到摩尔浓度为1mol/L的硝酸溶液中搅拌24h；
3）洗涤干燥：将步骤2）中酸洗后的生物质导电炭置于滤纸上，用去离子水进行滤洗直至滤液呈中性后，置于温度为150℃的干燥箱内干燥6h，冷却至常温；
4）测量电阻并取样：测量经过步骤3）处理后产物的体积电阻率ρ=0.116Ω·cm≤1Ω·cm，所以称取质量m1=2.000g的样品5份；
5）石墨微晶的分离：将步骤3）中的5份样品置于马沸炉中，空气气氛下，温度500℃之间灼烧4～5h，冷却至常温，称量，当最后两次称量质量差小于0.001g且时间间隔大于15min时，获得生物质导电炭中石墨微晶，5份样品石墨微晶的质量m2=0.283g、0.285g、0.283g、0.286g、0.282g；
6）石墨微晶的测定：每份生物质导电炭样品中石墨微晶的含量为m2/m1=14.2%、14.3%、14.2%、14.3%、14.1%，取平均值14.2%。
实施例3
1）生物质导电炭的制备：根据国家发明专利：一种生物质导电炭的制取方法（ZL 200810023948.3）提及的方法，以氧化铁与碳酸钙质量比1:0.5混合，1000℃炭化2h，制备生物质导电炭；
2）酸洗处理：将生物质导电炭浸渍到摩尔浓度为1mol/L的盐酸中搅拌24h；
3）洗涤干燥：将步骤2）中酸洗后的生物质导电炭置于滤纸上，用去离子水进行滤洗直至滤液呈中性，再置于干燥箱内，干燥温度控制在120℃，时间为5h，冷却至常温；
4）测量电阻并取样：测量经过步骤3）处理后产物的体积电阻率ρ=0.239Ω·cm≤1Ω·cm，所以称取质量m1=2.000g的样品4份；
5）石墨微晶的分离：将步骤4）中的3份样品置于马沸炉中，空气气氛下，温度控制在300℃灼烧4～5h，冷却至常温，称量，当最后两次称量质量差小于0.001g且时间间隔大于15min时，获得生物质导电炭中的石墨微晶，三份样品石墨微晶的质量m2=0.201g、0.205g、0.203g、0.203g；
6）石墨微晶的测定：每份生物质导电炭样品中石墨微晶的含量为m2/m1=10.1%、10.5%、10.3%，10.3%，取平均值10.3%。
实施例4
1）生物质导电炭的制备：根据国家发明专利：一种生物质导电炭的制取方法（ZL 200810023948.3）提及的方法，以氧化镍与氧化钙质量比1:2混合，850℃炭化1h，制备生物质导电炭；
2）酸洗处理：将 步骤1)中的生物质导电炭浸渍到强酸溶液中搅拌20h，酸为硝酸，摩尔浓度为1mol/L；
3）洗涤干燥：将步骤2）中酸洗后的生物质导电炭置于滤纸上，用去离子水进行滤洗直至滤液呈中性后置于温度为150℃干燥箱内干燥3h，冷却至常温；
4）测量电阻并取样：测量经过步骤3）处理后产物的体积电阻率ρ=0.074Ω·cm≤1Ω·cm，所以称取质量m1=2.000g的样品4份；
5）石墨微晶的分离：将步骤4）中的4份样品置于马沸炉中，空气气氛下，温度控制在400℃灼烧4～5h，冷却至常温，称量，当最后两次称量质量差小于0.001g且时间间隔大于15min时，获得生物质导电炭中的石墨微晶，4份样品石墨微晶的质量m2=0.326g、0.322g、0.326g、0.320g；
6）石墨微晶的测定：每份生物质导电炭样品中石墨微晶的含量为m2/m1=16.3%、16.1%、16.3%、16.0%，取平均值16.2%。
比较例
1）生物质炭化：将生物质颗粒在900℃时直接炭化；
2）酸洗处理：将步骤1)中的生物质导电炭浸渍到强酸溶液中搅拌24h，酸为硝酸，摩尔浓度为1mol/L；
3）洗涤干燥：用去离子水对步骤2）中得到的产物进行充分洗涤直至最后得到的滤液呈中性，再将过滤后的颗粒置于干燥箱内干燥，干燥温度控制在120℃，时间为6h，冷却至常温；
4）测量电阻并取样：测量经过步骤3）处理后产物的体积电阻率ρ=6.5Ω·cm，1Ω·cm<ρ≤10Ω·cm，所以称取质量m1=5.000g的样品3份；
5）石墨微晶的分离：称步骤4）中的3份样品置于马沸炉中，空气气氛下，温度控制在450℃灼烧4～5h，称量，当最后两次称量质量差小于0.001g且时间间隔大于15min时，获得石墨微晶，4份样品石墨微晶的质量m2=0.103g、0.105g、0.105g；
6）石墨微晶的测定：定量计算石墨微晶的含量为m2/m1=2.1%、2.1%、2.1%，取平均值2.1%；
7）与XRD分析的对比：图1、图2为900℃采用催化剂与不采用催化剂的生物质炭的XRD分析结果，生物质导电炭的石墨峰较尖锐。
结合以上几个实例可以看出，所取的两份样品得到的无定形碳与石墨微晶的比值相差很小，说明该方法具有稳定性。另外所得的结果与电阻率的数据和图1、图2的XRD定性分析结果相吻合，证实了该方法的正确性。

Claims (2)

1.一种生物质导电炭中石墨微晶的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）酸洗处理：将生物质导电炭浸渍到酸溶液中搅拌12～24h；
2）洗涤干燥：将步骤1）中酸洗后的生物质导电炭置于滤纸上，用去离子水进行滤洗直至滤液呈中性后，置于100℃～150℃的干燥箱内干燥3～6h，冷却至常温；
3）测量电阻并取样：测量经过步骤2）处理后产物的体积电阻率ρ，并称取质量为m1的样品3～5份，当电阻率ρ≤1Ω·cm时，取m1=2.000g，1Ω·cm<电阻率ρ≤10Ω·cm时，取m1=5.000g；
4）石墨微晶的分离：将步骤3）中的3～5份样品置于马沸炉中，空气气氛下，温度300～500℃灼烧4～5h，冷却至常温，称量，当最后两次称量质量差小于0.001g且时间间隔大于15min时，获得生物质导电炭中石墨微晶，称取质量为m2；
5）石墨微晶的测定：每份生物质导电炭样品中石墨微晶的含量为m2/m1，取平均值。
2.如权利要求1所述的一种生物质导电炭中石墨微晶的测定方法，其特征在于，所述的步骤1）中酸溶液为盐酸或硝酸，摩尔浓度为1mol/L。
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