CN108002363B - 一种多孔纳米碳的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多孔纳米碳的制备方法，该方法以淀粉和硝酸镁为原料生成多孔纳米碳，此方法操作特别简单，反应时间短，比表面积非常大，并且淀粉作为主要基体原材料，具有原材料易得，量大，对环境没有污染等优点。淀粉与一定量的硝酸镁完全溶解后，通过一定温度的放热反应就可以生成比表面积巨大的多孔纳米碳，表面积最高达到了2400[m²g^‑1]，这在超级电容器，吸附剂和电化学催化剂方面具有很重要的应用。

Description

一种多孔纳米碳的制备方法

技术领域

本发明涉及一种多孔纳米碳的制备方法，特别涉及一种通过化学自放热反应简易快速制备表面积非常大的多孔纳米碳的方法。

背景技术

能源是人类活动的基础，我们出行的使用的汽车、火车、飞机等无一不跟能源有关，石油、天然气等等都跟人类的活动息息相关，但随着石油、天然气等资源的耗尽。迫切的需要发展新能源以及能够好的储能材料，而纳米碳材料的出现为制备大储能设备提供了可能，随着化石能源短缺和化石燃料所带来严重的环境污染，开发以生物质为重要组成部分的可再生能源已经刻不容缓，如何高效的利用现在能源并把其合理存储起来，寻找一种高效的存储材料很有必要。

纳米碳材料由于其具有优良的化学稳定性、导电性和低温抗氧化性等特点，使其在锂离子电池、超级电容器及燃料电池等能源存储领域有着重要的应用。

近年来，很多科学家都在致力于新型生物质类纳米碳材料的制备及其潜在应用的研究。如用利用芒草、梧桐皮、丝瓜络、油菜籽、青竹等为原料制备作为超级电容器储能纳米碳材料，但是上述方法制备的工艺繁琐，成本高，生产出的纳米碳材料可塑性差，易团聚比表面积较低，孔隙少以及储能方面差。

本发明以淀粉类原料和硝酸镁为基体生成多孔纳米碳的简易方法，此方法操作特别简单，反应时间短，比表面积非常大。并且淀粉作为主要基体原材料，具有原材料易得，量大，对环境没有污染等优点。在超级电容器、催化等方面具有非常大的应用前景。

发明内容

本发明解决的技术问题是，现有技术中多空纳米碳的比表面积不高，多孔碳的制备方法比较复杂。

本发明的技术方案是，提供一种多孔纳米碳的制备方法，包括以下步骤：

(1)将淀粉、硝酸镁和去离子水混合，加热并搅拌，使淀粉溶解、糊化；继续加热搅拌至水分完全蒸发，得到淀粉和硝酸镁的固态混合物；

(2)将淀粉和硝酸镁的固态混合物在保护气氛下升温至350-650℃预烧20分钟以上，将预烧后的固体研磨成粉末；

(3)将研磨后的粉末在保护气氛下升温至700-1500℃煅烧1小时以上；

(4)将煅烧后的粉末用盐酸溶液清洗，过滤，烘干；得到多孔纳米碳。

优选地，步骤(4)中，盐酸溶液为0.1～2mol/L的盐酸水溶液。

优选地，步骤(3)中，煅烧的时间为1.5-5小时。

优选地，步骤(3)中，煅烧的温度为750-1300℃。

优选地，步骤(2)中，预烧的温度为450-550℃。

优选地，步骤(2)中，预烧的时间为20-60分钟。

优选地，步骤(1)中，加热的温度为50-150℃。

优选地，步骤(1)中，每1mol硝酸镁与80-200g的淀粉混合，更优选，每1mol硝酸镁与90-110g的淀粉混合，最优选每1mol硝酸镁与95-100g的淀粉混合。

优选地，步骤(2)和步骤(3)中，保护气氛为氩气。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的淀粉与一定量的硝酸镁完全溶解后，通过一定温度的放热反应就可以生成比表面积巨大的多孔纳米碳，为制备大容量的超级电容器提供了很好的多孔碳纳米材料，这在超级电容器，吸附剂和电化学催化剂方面具有很重要的应用。

(2)本发明制备的多孔碳的方法简便，工艺成本低。

(3)本发明以淀粉作为主要基体原材料，具有原材料易得，量大，对环境没有污染等优点。

附图说明

图1表示在相同温度下煅烧，采用不同淀粉含量的情况下得到的比表面积吸附图。

图2表示在相同淀粉含量下用不同温度煅烧得到的比表面积吸附图。

图3表示在相同淀粉含量相同温度煅烧，不同镁的原料配比下得到的比表面积吸附图。

图4表示样品2的TEM图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：淀粉与硝酸镁在不同配比下的比较

把淀粉与硝酸镁的配比定为：1mmol的硝酸镁对应0.0811g(样品1)、0.0973g(样品2)、0.1297g(样品3)和0.1621g(样品4)淀粉，在去离子水中加热，溶解，糊化均匀后，继续搅拌加热至水分蒸发，之后混合物在氩气环境中预烧，温度为500度，保持30分钟。把预烧后得到的粉末研磨成细粉，在氩气环境中煅烧至900度(度均指℃)，保持两小时。取出来的粉末经过0.5摩尔每升的盐酸清洗2小时，过滤，烘干，测试比表面积。得到的四个样品分别为样品1、样品2、样品3和样品4。

实施例2把淀粉与硝酸镁的配比固定在1mmol的硝酸镁对应0.0973g淀粉；类似实施例1的步骤，但改变煅烧的温度：从900度变为800、1000和1200度。所对应的样品名为，样品5、样品6和样品7。

实施例3把淀粉与镁盐的配比固定在1mmol的镁盐对应0.0973g淀粉；且固定第二次的煅烧温度为900度；所有实验步骤同实施例1和2，但改变镁的原料由硝酸镁为醋酸镁，合成的对应的样品名样品8。

表1各种多孔碳纳米样品的原料及其工艺条件对比

样品序号	镁的原料+淀粉	煅烧温度
			样品1	1mmol硝酸镁+0.0811g淀粉	900度
样品2	1mmol硝酸镁+0.0973g淀粉	900度
			样品3	1mmol硝酸镁+0.1297g淀粉	900度
样品4	1mmol硝酸镁+0.1621g淀粉	900度
			样品5	1mmol硝酸镁+0.0973g淀粉	800度
样品6	1mmol硝酸镁+0.0973g淀粉	1000度
			样品7	1mmol硝酸镁+0.0973g淀粉	1200度
样品8	1mmol醋酸镁+0.0973g淀粉	900度

表2各种样品比表面积测试总结

图1为在相同温度下煅烧，采用不同淀粉含量的情况下得到的比表面积吸附图，从图中可以看出样品2的比表面积最大。之后，保持样品2的淀粉含量不变，改变煅烧温度(图2)发现煅烧温度为1200度时其体积吸附量最大(样品7)，我们有对不同镁的原料在同一反应条件下得到的样品进行了比表面积测试，发现在硝酸镁的情况下其体积吸附量要大于醋酸镁的吸附量。表2为不同反应条件下的比表面积结果，发现样品7条件下比表面积最大，为2400[m²g^-1]。

通过改变淀粉与硝酸镁的配比和不同的煅烧温度，我们发现，当淀粉与硝酸镁的配比为0.0973克淀粉对应1mmol硝酸镁原料时，煅烧温度为800摄氏度以上时，比表面积最大，达到了近2400[m²g^-1]，而作为对比，在用醋酸镁和淀粉为原料在相同条件下得到的碳纳米粉末仅为1150[m²g^-1]，可以看出，以硝酸镁和淀粉做基体其比表面积提高了一倍多。

Claims (8)

1.一种多孔纳米碳的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将淀粉、硝酸镁和去离子水混合，加热并搅拌，使淀粉溶解、糊化；继续加热搅拌至水分完全蒸发，得到淀粉和硝酸镁的固态混合物；

（2）将淀粉和硝酸镁的固态混合物在保护气氛下升温至350-650℃预烧20分钟以上，将预烧后的固体研磨成粉末；

（3）将研磨后的粉末在保护气氛下升温至700-1500℃煅烧1小时以上；

（4）将煅烧后的粉末用盐酸溶液清洗，过滤，烘干；得到多孔纳米碳；

步骤（1）中，每1mol硝酸镁与97.3g的淀粉混合。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，盐酸溶液为0.1～2 mol/L的盐酸水溶液。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，煅烧的时间为1.5-5小时。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，煅烧的温度为750-1300℃。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，预烧的温度为450-550℃。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，预烧的时间为20-60分钟。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，加热的温度为50-150℃。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）和步骤（3）中，保护气氛为氩气。

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