CN116239102A - 一种利用废旧塑料制备多面体碳壳材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用废旧塑料制备多面体碳壳材料的方法，属于一种合成多面体碳壳材料的技术领域。该方法将回收塑料和分子筛混合，得到回收塑料‑分子筛混合物；然后将制备的回收塑料‑分子筛混合物置于马弗炉中，加热反应后冷却至室温，得到多面体碳壳‑分子筛复合物，然后加入氢氟酸水溶液放置，经处理得到多面体碳壳材料。本发明中合成多面体碳壳材料所采用的碳源是回收塑料，价格低廉，来源丰富；采用的分子筛易得，成本低；采用本发明利用回收塑料合成多面体碳壳材料，具有方法简单、易于实施、成本低的优势。

Description

一种利用废旧塑料制备多面体碳壳材料的方法
技术领域
本发明属于一种合成多面体碳壳材料的技术领域，具体涉及一种利用废旧塑料制备多面体碳壳材料的方法。
背景技术
多孔碳材料具有高比表面积、高孔隙率以及光滑的孔道，因而得到广泛的研究。多孔碳材料已广泛用于吸附剂、催化剂载体、储存气体、超级电容器及电池等电极材料。与普通多孔碳材料相比，多面体碳壳材料具有较低的密度、较高的存储或者吸附污染物的“空腔”、可调的形态，因而成为极具吸引力的多孔碳材料。另外，碳壳内部的“空腔”有利于反应物和产物的扩散和转移，因而在在催化剂载体、气体吸附分离、重金属离子和有机污染物吸附分离以及锂离子电池等领域也有着独特的优势。
目前常见的多孔碳壳材料制备方法是金属-有机框架材料(MOF)裂解法，该方法将MOF材料在高温下进行煅烧碳化，一定程度上可保持MOF原有的形貌，且由于有机物转化为石墨碳，从而制备碳壳材料(比如，专利：CN115050972A)。尽管煅烧处理可以得到MOF衍生碳材料，但得到的材料形貌仍然是有限的，与原有MOF形貌相比存在一定变形，导致该衍生碳材料形貌不规整，且产率较低。另外，目前MOF的制备工艺繁琐，且价格较高，难以实现多面体碳壳材料的规模化制备。因此，亟需一种低成本、结构可控的多面体碳壳材料制备技术。
当今社会，塑料被广泛使用与我们生活的各个方面，推动人类社会的发展。塑料在使用完后，大部分塑料都变成了废旧塑料。废旧塑料的治理对于环境保护和资源利用极为重要。传统的焚烧、填埋不能够满足当今可持续发展的要求。而物理回收适用的塑料种类有限。将塑料转化为碳材料是一种极具潜力的新方法。特别是，将废弃塑料制备碳纳米管和石墨烯引起了研究者的广泛兴趣(专利：ZL 201410219177.0，ZL 202110104197.3)。但是，废塑料制备的碳材料往往集中于零维、一维和二维材料，将废塑料高效转化为多孔体碳壳材料还尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种利用废旧塑料制备多面体碳壳材料的方法，该方法是在分子筛催化回收塑料碳化的作用下，合成多面体碳壳材料。
一种利用废旧塑料制备多面体碳壳材料的方法，包括：
步骤一：将回收塑料和分子筛混合，得到回收塑料-分子筛混合物；
步骤二：将步骤一制备的回收塑料-分子筛混合物置于马弗炉中，加热反应后冷却至室温，得到多面体碳壳-分子筛复合物，然后加入氢氟酸水溶液放置，经处理得到多面体碳壳材料。
优选的是，所述的步骤一中回收塑料和分子筛的重量比为1：(0.2-10)。
优选的是，所述的回收塑料为聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或几种。
优选的是，所述的分子筛为NKF-6β、HZSM-5或3A分子筛，分子筛尺寸在50纳米-10微米。
优选的是，所述的步骤一的混合是将回收塑料和分子筛加入球磨机中搅拌混合。
优选的是，所述的球磨机转速为50-500转/分，混合时间为2-10分钟。
优选的是，所述的步骤二中加热反应温度为500-900℃，时间为5-20分钟。
优选的是，所述的步骤二中氢氟酸水溶液的质量分数为5％-20％。
优选的是，所述的步骤二中放置时间为6-24小时。
优选的是，所述的多面体碳壳材料尺寸在10纳米-10微米，厚度为20-500纳米。
本发明的有益效果
本发明提供一种利用废旧塑料制备多面体碳壳材料的方法，该方法是商业化的分子筛为催化剂和模板，回收塑料为碳源，将分子筛与回收塑料按一定组成混合后，在马弗炉中加热到500-900℃下碳化来制备多面体碳壳材料。本发明中合成多面体碳壳材料所采用的碳源是回收塑料，价格低廉，来源丰富；采用的分子筛易得，成本低；所使用的合成多面体碳壳材料的设备为陶瓷坩埚和马弗炉。和现有技术做对比，采用本发明利用回收塑料合成多面体碳壳材料，具有方法简单、易于实施、成本低的优势。
附图说明
图1为废弃聚丙烯编织袋为碳源，3A分子筛为催化剂和模板，制备的多面体碳壳材料的透射电子显微镜照片。
图2为废弃聚苯乙烯泡沫为碳源，NKF-6β分子筛为催化剂和模板，制备的多面体碳壳材料的透射电子显微镜照片。
图3为废弃聚乙烯瓶子为碳源，HSZM-5分子筛为催化剂和模板，制备的多面体碳壳材料的X射线衍射图谱。
图4为废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯瓶子为碳源，3A分子筛为催化剂和模板，制备的多面体碳壳材料的透射电子显微镜照片。
图5为废弃混合塑料为碳源，NKF-6β分子筛为催化剂和模板，制备的多面体碳壳材料的透射电子显微镜照片。
具体实施方式
一种利用废旧塑料制备多面体碳壳材料的方法，包括：
步骤一：将回收塑料和分子筛混合，所述的混合优选是将回收塑料和分子筛加入球磨机中搅拌混合，转速优选为50-500转/分，搅拌混合时间优选为2-10分钟，得到回收塑料-分子筛混合物；所述的回收塑料和分子筛的重量比优选为1：(0.2-10)，更优选为1：(1-5)；所述的回收塑料没有特殊限制，碳源优选为聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或几种，更优选为废弃聚丙烯编织袋、废弃聚苯乙烯泡沫、废弃聚乙烯瓶子或废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯瓶子。所述的分子筛为NKF-6β、HZSM-5或3A分子筛，分子筛尺寸在50纳米-10微米，来源为商购。
步骤二：将步骤一制备的回收塑料-分子筛混合物置于陶瓷坩埚中并加盖，放置于马弗炉中，加热反应后冷却至室温，得到多面体碳壳-分子筛复合物，然后加入氢氟酸水溶液放置，放置时间优选为6-24小时，经沉淀分离，去离子水清洗得到多面体碳壳材料。所述的加热反应温度优选为500-900℃，更优选为600-900℃，时间优选为5-20分钟，更优选为8-15分钟，氢氟酸水溶液的质量分数优选为5％-20％。所述的多面体碳壳材料尺寸在10纳米-10微米，厚度为20-500纳米。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的多面体碳壳材料的制备方法进行描述。本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
按废弃聚丙烯编织袋剪碎后与尺寸为2微米的3A分子筛重量比1/1同时加入球磨机中，在100转/分下进行搅拌混合5分钟，得到聚丙烯-3A分子筛混合物。
取上述混合物20克放于50毫升坩埚中，并加盖于坩埚上。放置于马弗炉中，700℃下反应10分钟，取出坩埚放于阴凉处冷却至室温。用质量分数为10％的氢氟酸水溶液加入到上述黑色复合物，放置12小时，沉淀分离，用去离子水清洗至pH＝7。此时得到多面体碳壳材料13.2克，产率为66％。
制备的多面体碳壳材料的透射电子显微镜照片如图1所示。多面体碳壳材料的尺寸为2-3微米，厚度为200-500纳米。
实施例2
按废弃聚苯乙烯泡沫剪碎后与尺寸为200-300纳米的NKF-6β分子筛重量比1/2同时加入球磨机中，在200转/分下进行搅拌混合3分钟，得到聚苯乙烯-NKF-6β分子筛混合物。
取上述混合物20克放于50毫升坩埚中，并加盖于坩埚上。放置于马弗炉中，800℃下反应8分钟，取出坩埚放于阴凉处冷却至室温。用质量分数为5％的氢氟酸水溶液加入到上述黑色复合物，放置15小时，沉淀分离，用去离子水清洗至pH＝7。此时得到多面体碳壳材料15.6克，得率为78％。
制备的多面体碳壳材料的透射电子显微镜照片如图2所示。多面体碳壳材料的尺寸为300-400纳米，厚度为20-50纳米。
实施例3
按废弃聚乙烯瓶子剪碎后与尺寸为2-3微米棒状HSZM-5分子筛重量比1/4同时加入球磨机中，在300转/分下进行搅拌混合2分钟，得到聚乙烯-HSZM-5分子筛混合物。
取上述混合物20克放于50毫升坩埚中，并加盖于坩埚上。放置于马弗炉中，600℃下反应15分钟，取出坩埚放于阴凉处冷却至室温。用质量分数为20％的氢氟酸水溶液加入到上述黑色复合物，放置12小时，沉淀分离，用去离子水清洗至pH＝7。此时得到多面体碳壳材料14.6克，得率为73％。
制备的多面体碳壳材料的X射线衍射谱图如图3所示。
实施例4
按废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯瓶子剪碎后与尺寸为2微米的3A分子筛重量比1/5同时加入球磨机中，在100转/分下进行搅拌混合5分钟，得到聚对苯二甲酸乙二醇-3A分子筛混合物。
取上述混合物20克放于50毫升坩埚中，并加盖于坩埚上。放置于马弗炉中，900℃下反应10分钟，取出坩埚放于阴凉处冷却至室温。用质量分数为10％的氢氟酸水溶液加入到上述黑色复合物，放置24小时，沉淀分离，用去离子水清洗至pH＝7。此时得到多面体碳壳材料12.2克，产率为61％。
制备的多面体碳壳材料的透射电子显微镜照片如图4所示。多面体碳壳材料的尺寸为2-3微米，厚度为200-500纳米。
实施例5
按废弃聚丙烯、废弃聚乙烯、废弃聚苯乙烯泡沫剪碎后，按照1/1/1的质量比混合，之后与尺寸为200-300纳米的NKF-6β分子筛重量比1/5同时加入球磨机中，在500转/分下进行搅拌混合2分钟，得到废弃塑料-NKF-6β分子筛混合物。
取上述混合物20克放于50毫升坩埚中，并加盖于坩埚上。放置于马弗炉中，700℃下反应11分钟，取出坩埚放于阴凉处冷却至室温。用质量分数为5％的氢氟酸水溶液加入到上述黑色复合物，放置20小时，沉淀分离，用去离子水清洗至pH＝7。此时得到多面体碳壳材料15.2克，得率为76％。
制备的多面体碳壳材料的透射电子显微镜照片如图5所示。多面体碳壳材料的尺寸为300-400纳米，厚度为20-50纳米。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用废旧塑料制备多面体碳壳材料的方法，其特征在于，包括：
步骤一：将回收塑料和分子筛混合，得到回收塑料-分子筛混合物；
步骤二：将步骤一制备的回收塑料-分子筛混合物置于马弗炉中，加热反应后冷却至室温，得到多面体碳壳-分子筛复合物，然后加入氢氟酸水溶液放置，经处理得到多面体碳壳材料。
2.根据权利要求1所述的一种利用废旧塑料制备多面体碳壳材料的方法，其特征在于，所述的步骤一中回收塑料和分子筛的重量比为1：(0.2-10)。
3.根据权利要求1所述的一种利用废旧塑料制备多面体碳壳材料的方法，其特征在于，所述的回收塑料为聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种利用废旧塑料制备多面体碳壳材料的方法，其特征在于，所述的分子筛为NKF-6β、HZSM-5或3A分子筛，分子筛尺寸在50纳米-10微米。
5.根据权利要求1所述的一种利用废旧塑料制备多面体碳壳材料的方法，其特征在于，所述的步骤一的混合是将回收塑料和分子筛加入球磨机中搅拌混合。
6.根据权利要求1所述的一种利用废旧塑料制备多面体碳壳材料的方法，其特征在于，所述的球磨机转速为50-500转/分，混合时间为2-10分钟。
7.根据权利要求1所述的一种利用废旧塑料制备多面体碳壳材料的方法，其特征在于，所述的步骤二中加热反应温度为500-900℃，时间为5-20分钟。
8.根据权利要求1所述的一种利用废旧塑料制备多面体碳壳材料的方法，其特征在于，所述的步骤二中氢氟酸水溶液的质量分数为5％-20％。
9.根据权利要求1所述的一种利用废旧塑料制备多面体碳壳材料的方法，其特征在于，所述的步骤二中放置时间为6-24小时。
10.根据权利要求1所述的一种利用废旧塑料制备多面体碳壳材料的方法，其特征在于，所述的多面体碳壳材料尺寸在10纳米-10微米，厚度为20-500纳米。
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