WO2015197887A1 - Carbonaceous particles and materials with optimised properties, methods for the production thereof, and applications of the same - Google Patents

Carbonaceous particles and materials with optimised properties, methods for the production thereof, and applications of the same Download PDF

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WO2015197887A1
WO2015197887A1 PCT/ES2015/000088 ES2015000088W WO2015197887A1 WO 2015197887 A1 WO2015197887 A1 WO 2015197887A1 ES 2015000088 W ES2015000088 W ES 2015000088W WO 2015197887 A1 WO2015197887 A1 WO 2015197887A1
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WO
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type
carbonaceous
chemical agent
lignin
precursors
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PCT/ES2015/000088
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Raúl BERENGUER BETRIÁN
Francisco José GARCÍA MATEOS
José RODRÍGUEZ MIRASOL
Tomás CORDERO ALCÁNTARA
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Universidad De Málaga
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    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D01F9/14Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments
    • D01F9/16Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from products of vegetable origin or derivatives thereof, e.g. from cellulose acetate
    • D01F9/17Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from products of vegetable origin or derivatives thereof, e.g. from cellulose acetate from lignin
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/05Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
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    • C01B32/342Preparation characterised by non-gaseous activating agents
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    • C01B32/30Active carbon
    • C01B32/354After-treatment
    • C01B32/382Making shaped products, e.g. fibres, spheres, membranes or foam
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01DMECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/12Stretch-spinning methods
    • D01D5/14Stretch-spinning methods with flowing liquid or gaseous stretching media, e.g. solution-blowing

Definitions

  • the present invention falls within the scope of man-made materials, particularly those of a carbonaceous nature, as well as the procedures for obtaining said materials and their applications.
  • the preparation of carbon fibers from lignin has been known since the mid-1960s.
  • the preparation of carbon fibers from lignin basically requires a spinning process, followed by a heat treatment to stabilize and subsequently carbonize them. Since lignin alone cannot be spun to obtain fibers, Kubo et al proposed the conversion of lignin into functional polymers by an appropriate method of wood separation (S. Kubo, Y. Uraki and Y. Sano, Coal 1998, 36, No. 7-8, pp. 1119-1124).
  • melt extrusion processes have 3 major disadvantages: (i) the diameter of the fibers is limited by the sealing of the extrusion nozzles, so that it is difficult to reduce the diameter of the fibers below 20 um; (ii) the use of additional stages of purification, mixing with polymers, additional chemical treatments and / or heat treatments necessary to obtain an optimal round considerably increase the number of stages and the duration and overall cost of the process; and (iii) the strategies that favor the fusion of lignin for In the extrusion process, they generally also favor the fusion of the fibers during the carbonization stage, so that they hinder and / or slow down the previous stabilization stage at the same time.
  • electro-spinning is an advantageous and promising approach to the preparation of lignin fibers (ES2326455B2; R. Ruiz-Rosas, J. Bedia, M. Lallave, IG Loscertales, A. Barrero, J. Rodr ⁇ guez-Mirasol, T. Cordero, Carbon, 2010, 48 (3), 696-705).
  • electro-spinning solves a large part of the problems associated with the melt-extrusion method, since it allows the manufacture at room temperature of micro and sub (micro) lignin fibers directly in a single step and without the addition of polymers or chemical treatments .
  • the electro-spinning of lignin solutions has several advantages over the most common precursors, such as PAN, because in addition to being cheaper, the high solubility of lignin in common volatile solvents avoids solvent recovery processes that make the process more expensive .
  • the preparation of carbon fibers is largely limited by the thermal fusibility of the polymeric fibrillar precursors during the carbonization stage. This is because the glass transition temperature of most polymeric precursors is well below the carbonization temperature. Consequently, polymeric fibers normally require a stabilization pretreatment to prevent their melting / "softening" and preserve their fibrillar shape during the carbonization stage.
  • the most commonly used method for stabilizing fibrillar precursors is oxidative thermal stabilization in the presence of air (oxidative thermostabilization), in which a series of reactions that occur with a slow increase in temperature, increase the glass transition temperature to greater speed than the system temperature itself, so that the material remains in its vitreous state during its heating.
  • lignin can be oxidatively thermo-stabilized potentially at much higher speeds than breasts or PAN.
  • stabilization of lignin fibers requires still very low heating ramps, typically 0.05-0.08 ° C / min, followed by prolonged times (typically 36 h) at the stabilization temperature (200-250 ° C) (R Ruiz-Rosas, J. Bedia, M. Lallave, IG Loscertales, A. Barrero, J. Rodr ⁇ guez-Mirasol, T. Cordero, Carbon, 2010, 48 (3), 696-705).
  • the strategies are based on (i) the design of new routes of extraction and / or purification of lignins (more suitable) with higher glass transition temperatures (lignin Alcell) or with more suitable molecular fractions (WO2012112108A1; WO2013112100A1); (ii) the incorporation of certain polymers that favor the spinning process and at the same time improve the stabilization stage, such as poly (ethylene terephthalate) (PET) (S. Kubo and JF Kadla J. Polym. Environ. 2005, 13 (2), 97-105) or poly (ethylene oxide) (PEO) (S. Hu, Y.-L. Hsieh, J Mater. Chem. A 2013, 1, 1 1279-1 1288; I.
  • PET poly (ethylene terephthalate)
  • PET poly (ethylene terephthalate)
  • PEO poly (ethylene oxide)
  • H 3 P0 4 as a stabilizing promoter was suggested by Chenevey et al, who patented a method / process for preparing stabilized acrylic fibers or films by incorporating a stabilizing agent (elP0 4 between several options) previous spinning stage (solution extrusion), followed by oxidative stabilization stage between 200-350 ° C (US4002426A).
  • a stabilizing agent elP0 4 between several options
  • solution extrusion solution extrusion
  • oxidative stabilization stage between 200-350 ° C
  • Said properties have been conventionally obtained by a chemical activation step after impregnation of the precursor in fibrillar form with a suitable agent (NaOH, KOH, H3PO4, ZnCl 2 , etc.) or physical activation of the carbonized fibers, consisting of passing a gas inert (C0 2 ) or oxidant (water vapor) at high temperatures (800-900 ° C).
  • a suitable agent NaOH, KOH, H3PO4, ZnCl 2 , etc.
  • physical activation of the carbonized fibers consisting of passing a gas inert (C0 2 ) or oxidant (water vapor) at high temperatures (800-900 ° C).
  • FCAs activated carbon fibers
  • FCAs have been prepared with areas (2000-3000 m 2 / g) that match or exceed those of activated carbon in granular form or powder, but in addition to being prepared by other methods and having dimensions much larger require additional stages of impregnation-drying and / or physical activation, and larger amounts of activating agent.
  • FCAs have been obtained by steam activation of H 2 0 at 900 ° C of up to 3000 m 2 / g, matching those of other FCAs prepared from other precursors and, Therefore, demonstrating the potential of lignin for the preparation of such materials.
  • FCAs have been obtained by steam activation of H 2 0 at 900 ° C of up to 3000 m 2 / g, matching those of other FCAs prepared from other precursors and, Therefore, demonstrating the potential of lignin for the preparation of such materials.
  • FCAs have been obtained by steam activation of H 2 0 at 900 ° C of up to 3000
  • Moore et al. proposed a method / process of carbonization of carbonaceous fibrillar precursors (in general) treated with H 3 P0 4 or derivatives, in which they act as catalysts for the pyrolytic transformations during carbonization and as agents that improve the physical properties and yield of the final carbonaceous materials (US3527564A) .
  • the activation and carbonization are carried out as two different stages and an effect on the activation speed is described that has nothing to do with the thermo-oxidative stabilization process to avoid the fusion of thermoplastic fibrillar materials.
  • Baker proposes a very general method / process of preparing AC fibers from natural and / or renewable precursors, including mixing said precursors with a chemical activating agent (chemical activation), its fiber spinning process ( co-spinning) and its heat treatment to carry out carbonization and activation in a single stage (US 2007/0142225 Al).
  • chemical activating agent chemical activation
  • co-spinning fiber spinning process
  • heat treatment to carry out carbonization and activation in a single stage
  • the inventor indicates 3 effects of H 3 P0 4 : low temperature carbonization promoter (400-500 ° C), flame retardant increasing carbon yield and assistant (favoring) of the extrusion process, in addition to mentioning that the fact using lower temperatures and the possibility of carbonizing and chemically activating in one stage (always in an inert atmosphere) means shorter energy and processed savings.
  • the inventor proposes a prophetic example ("Prophetic example") with preferred lignin / H 3 P0 4 impregnation ratios from 1 / 0.5 to 1/3, and conventional extrusion and / or melt extrusion as spinning techniques.
  • the inventor describes processes and effects and proposes impregnation relations (conventional and well studied) and other experimental conditions (traditional and best known methods for preparing fibers) that are easily deduced from the state of the art to obtain activated carbon fibers.
  • prepared from natural precursors trying to cover all the possible properties that one can think or imagine: materials with a pore size distribution from 2 to 100 nra or predominantly microporous, mesoporous or macroporous, and containing a wide variety of heteroatoms incorporated to the carbonaceous structure and at least one dispersed metal (Pt, Pd, Ni, Fe, Cr, Ti) over the entire structure of said fibers.
  • the impregnation ratios that it proposes are exactly those that do not allow and disable the electrowinning and thermostabilization process (at least, based on the procedure proposed here and the knowledge of its inventors) .
  • the author probably does not provide any details of this synthesis procedure or its operating conditions. Any expert in the field would fail to try to deduce how to do it because he would test the conditions that, based on his knowledge, lead to observe the effects of chemical activation with H 3 P0 4 .
  • the method uses other precursors and plasticizing agents to (by elimination during heat treatment) reduce the size of the fibers and, on the other hand, the activation processes are a posteriori (after the electrowinning stage), allowing much larger amounts of agent activator, so to obtain materials with properties similar to those claimed here, they not only require a greater number of stages but also a greater consumption of reagents (plasticizers and activators) that should make the overall process more expensive.
  • the chemical and physical activation processes they use are different from those of the present invention, the materials have different textural properties (pore size distribution) and cannot take advantage of the stabilization or oxidation resistance effects that Here they claim.
  • the lignin used in this work is " modified" and at least required 10% plasticizer polymer (PEO) to carry out the electrowinning process; and on the other hand, these activating agents do not improve the stabilization process, do not increase the resistance to oxidation (they should even decrease it) and surface areas above 1400 m 2 / g are not achieved.
  • the other work consists of a summary of a poster communication to a congress (R. Berenguer, J. Rodr ⁇ guez-Mirasol, T.
  • Cordero UBIOCHEM (4th International Workshop of COAST Action CM0903, 14-16 October 2013, Valencia (Spain)) that discloses a process for preparing carbon fibers by electrospinning solutions of lignin Alcell in ethanol in the presence of H 3 PO 4 , followed by successive stages of stabilization and carbonization (conventional method), in oxidizing and inert atmosphere, respectively, of the fibers of lignin obtained.
  • the work focuses on taking advantage of the known effect of chemical activation with H 3 PO 4 (in an inert atmosphere) to produce materials with a high specific surface area, exactly what was claimed in the above-mentioned Baker patent (US 2007 / 0142225 Al), but the authors do not describe how they do it.
  • Oxidation by oxygen is an exothermic reaction whose reaction rate is difficult to control.
  • molecular oxygen consumes the carbonaceous materials from the outside, without penetrating into the carbonaceous material and, therefore, without significantly developing or even decreasing its porosity.
  • activation by oxygen can be carried out at low temperatures (usually at T ⁇ 500 ° C) or by successive stages of oxygenation-carbonization after an initial stage of.
  • the oxidizing atmosphere When the stabilization stage is finished, the oxidizing atmosphere must be completely evacuated with an inert gas to be able to carbonize it without producing total gasification (combustion) of the material.
  • this is an important problem, because the process must be stopped to change / purge the atmosphere for a while (especially if the oven does not cool) and / or take the material to another oven with another atmosphere.
  • the materials obtained do not directly show the necessary properties to have a sufficient and / or comparable added value, so they need additional stages of activation, gasification and / or functionalization that, in addition to slowing down, increase the consumption of reagents and complexity and make the process more expensive, can compromise the fibrillar structure.
  • the cost of the overall process there are no carbonaceous fibrillar materials obtained from lignin with unique properties and / or with superior performance for a given application. All these disadvantages limit its commercialization and application on an industrial scale.
  • the extent and degree of activation of the fibrillar carbonaceous material depend largely on its diameter, so that to obtain areas of the order of 2000-3000 m 2 / g fibers with sufficiently wide diameters (above 5-10 microns) are normally required, in addition to high amounts of activating agent.
  • the present invention which comes to respond and solve the problems indicated above and not resolved in the state of the art, relates to carbonaceous fibrillar materials of optimized properties, among other carbonaceous fibrillar materials with high specific surface and oxidation resistance , to the procedures for obtaining said particles or materials of optimized properties, as well as to applications of said particles or materials and / or their obtaining procedures.
  • an object of the present invention relates to processes for obtaining particles and carbonaceous materials of optimized properties from a mixture of at least one carbonaceous precursor and at least one chemical agent.
  • the carbonaceous precursor is of natural origin, obtained either from biomass (for example, by pyrolysis or liquefaction of natural organic compounds) or from plant origin (for example, resins, lignins , etc.) of fossil origin (for example, breas, PAN, etc.).
  • the carbonaceous precursor is lignin, pitch or resin.
  • the carbonaceous precursor is Alcell lignin type (that is, extracted by the Alcell method), although it can be lignin extracted by methods other than Alcell that employ appropriate organic solvents, such as alcohols, acids organic (for example, formic acid, acetic acid, etc.), phenol, cresols, ethyl acetate, amines and their oxides, ketones, dioxane, or DMSO.
  • organic solvents such as alcohols, acids organic (for example, formic acid, acetic acid, etc.), phenol, cresols, ethyl acetate, amines and their oxides, ketones, dioxane, or DMSO.
  • the carbonaceous precursor is synthetic, such as PBO, nylon, kevlar, etc.
  • One aspect of said object of the invention refers to the mixture comprising a single type of carbonaceous precursor, for example only lignin type, only resin type, only pitch type, although it can comprise, for example, several types of lignins or several types of resins or several types of breas.
  • the mixture comprises more than one type of carbonaceous precursor, that is, for example, a mixture of lignin precursors and / or resin precursors and / or pitch precursors, although it may comprise in turn, for example, various types of lignins and / or various types of resins and / or various types of breasts.
  • the chemical agent allows to accelerate and / or optimize the stabilization stage.
  • the chemical agent is an inorganic acid or base with a dehydrating character such as phosphoric acid and derivatives, sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, methane sulfonic acid, aromatic sulfonic acid, carboxylic acids and alcohols, etc., as well as their corresponding salts or esters.
  • Accelerating the stabilization stage of the fibrillar structures in inert or oxidative conditions, prior to their carbonization stage, allows to avoid the fusion / collapse of the fibrillar structure, and on the other hand, control the degree of widening and / or fusion interconnection of the fibrillar structures to give rise to three-dimensional frameworks, by controlling the experimental conditions of said stabilization process, such as heating rate (mainly), temperature and stabilization time, air concentration, etc. Examples of such chemical species are H3PO4, ...
  • the chemical agent allows to induce, accelerate and / or optimize the process of direct chemical activation during the carbonization stage, and thereby allows to modulate and optimize its textural, structural and / or properties.
  • the chemical agent is an inorganic acid such as phosphoric and its derivatives (for example, metaphosphoric, pyrophosphoric, phosphorous, phosphonic, phosphonous, phosphine, phosphine), sulfuric acid, nitric acid, or salts thereof.
  • the chemical agent increases oxidation resistance and / or allows a partial gasification process during or after the carbonization stage, to modulate and optimize its textural, structural and / or properties.
  • the chemical agent is a compound comprising phosphorus (phosphoric, metaphosphoric, pyrophosphoric, phosphorous, phosphonic, phosphonous, phosphonic, phosphine or its salts, polyphosphates, polyphosphonates or phosphonium salts, phosphines and oxides salts phosphine) or boron (boric acid, boric oxide, borax, sodium metaborate, sodium tetraborate, lithium metaborate, lithium pentaborate, lithium tetraborate, potassium metaborate, potassium tetraborate).
  • phosphorothioic triamide phosphoric triamide, triamide ⁇ , ⁇ ', ⁇ ''- trimethylphosphoric, diamide (chloromethyl) phosphonotionic, trimethyl phosphate, triethyl phosphate, diethyl methylphosphoramidate, diethyl ethyl phosphoramidate, diethyl diamide methylphosphonic, and mixtures thereof (found in some patents to increase the flame retardant effect)
  • G -OR, i.
  • One aspect of said first object of the invention refers to the mixture comprising a single type of carbonaceous precursor and a single type of chemical agent.
  • the mixture comprises more than one type of carbonaceous precursor and a single type of chemical agent.
  • the mixture comprises a single type of carbonaceous precursor and more than one type of chemical agent.
  • the mixture comprises more than one type of carbonaceous precursor and more than one type of chemical agent.
  • One aspect of said first object of the invention relates to a mixture of lignin (Alcell) and H 3 P0 4 , consisting of the dissolution of lignin / H 3 P0 4 mixtures in an appropriate solvent, in this case ethanol, where the proportion of lignin in the mixture varies between 25% to 99% by mass of the mass of H 3 P0 4 , where the proportion of lignin in the solution varies between 10% and 90% by mass of the solvent mass; where the solution thus obtained is stirred and heated at the same time, at a constant volume for a sufficient time to dissolve the possible carbonaceous precursor agglomerates and chemical agent and distribute them homogeneously in the mixture (at least 2 h and preferably 5 h).
  • an appropriate solvent in this case ethanol
  • One aspect of said first object of the invention relates to a lignin / H3PC> 4 mixture, where lignin is extracted by methods other than Alcell, which use organic solvents such as alcohols, organic acids (formic acid, acetic acid), phenol, cresols, ethyl acetate, amines and their oxides, ketones, dioxane and DMSO among others, in solvents suitable for manufacturing at ambient temperature lignin fibers, such as ethanol, propanol, acetone, H 2 0, etc.
  • organic solvents such as alcohols, organic acids (formic acid, acetic acid), phenol, cresols, ethyl acetate, amines and their oxides, ketones, dioxane and DMSO among others, in solvents suitable for manufacturing at ambient temperature lignin fibers, such as ethanol, propanol, acetone, H 2 0, etc.
  • a second object of the invention relates to the fact that the process for obtaining particles and carbonaceous materials of optimized properties comprises either the electro-spray of the mixture of at least one carbonaceous precursor and at least one chemical agent (for obtaining carbonaceous particles) either electro-spinning of said mixture (for obtaining carbonaceous materials, particularly carbonaceous fibrillar materials).
  • the electrospray or the electrowinning is carried out at room temperature.
  • An embodiment of said aspect of the invention optionally comprises the addition of electrospray or electro-spin facilitating polymers.
  • One aspect of said first object of the invention relates to the fact that the process for obtaining particles and carbonaceous materials of optimized properties comprises, having as a starting point the product of the electrospray or the electrowinning of the mixture of at least one carbonaceous precursor and the less a chemical agent, a heating stage using a single atmosphere comprising the processes of stabilization, chemical activation and carbonization.
  • the atmosphere would be an inert atmosphere (N 2 ).
  • the atmosphere would be an oxidizing atmosphere (N 2 mixtures / 0 2 with up to 5% 0 2).
  • the method further process stabilization, chemical activation and carbonization, comprise a process of partial gasification .
  • the process for obtaining particles and carbonaceous materials of optimized properties comprises, having as a starting point the product of the electrospray or the electrowinning of the mixture of at least one carbonaceous precursor and the less a chemical agent, a stabilization stage and a carbonization stage.
  • said stabilization and Carbonization are performed in different atmospheres.
  • the stabilization step is performed in an oxidizing atmosphere (air or any mixture N 2/0 2), and the carbonization step, which comprises a prior chemical activation process, is performed in an inert atmosphere (N 2 ).
  • the stabilization stage is carried out in an inert atmosphere (N 2 ), and the carbonization stage, comprising a prior chemical activation process and a subsequent partial gasification process, is performed in an atmosphere.
  • oxidant mixture N 2/0 up to 5% 0 2.
  • the stabilization step is performed in an oxidizing atmosphere (air or any mixture N 2/0 2), and the carbonization step, comprising a prior chemical activation process, in an oxidizing atmosphere different from that used for the stabilization step (i.e., any mixture N 2/0 2 different from that used for the stabilization step).
  • the process for obtaining particles and carbonaceous materials of optimized properties comprises, having as a starting point the product of the electrospray or the electrowinning of the mixture of at least one carbonaceous precursor and the less a chemical agent, a stabilization-carbonization stage and a subsequent partial gasification stage.
  • said stabilization-carbonization and partial gasification steps are performed in different atmospheres.
  • the stabilization step-carbonization is performed in an inert atmosphere (N 2), and the step of partial gasification is performed in an oxidizing atmosphere (mixtures N 2/0 2 to 5 % in 0 2 ).
  • the steps of stabilization and carbonization-stage partial gasification is performed in an oxidizing atmosphere (N 2 mixtures / 0 2 with up to 5% 0 2).
  • Another aspect of said first object of the invention relates to the fact that the process for obtaining particles and carbonaceous materials of optimized properties comprises, having as a starting point the product of the electrospray or the electrowinning of the mixture of at least one carbonaceous precursor and the less a chemical agent, three successive stages of stabilization, carbonization and partial gasification.
  • said steps are performed in different atmospheres.
  • the stabilization stage is performed in an oxidizing atmosphere (air or any N2 / O2 mixture); the carbonization stage, comprising a previous stage of chemical activation, is carried out in an inert atmosphere (N 2 ); and the partial gasification stage is carried out in an oxidizing atmosphere (N2 / O2 mixtures with up to 5% in 0 2 ).
  • the particles or the fruit resulting from stages prior to initiating a new heating process are allowed to cool for the realization of said stage of partial gasification
  • Another aspect of said first object of the invention relates to the use of a device, similar to that described in ES2326455A1, so that the mixture of at least one carbonaceous precursor and at least one chemical agent, duly dissolved by means of a suitable solvent, is forced through a capillary tube located inside another capillary tube concentric with it; where an appropriate solvent is forced through the annular space between the two tubes; where, when applying a potential difference between the capillary tubes (connected to the same potential) and a reference electrode, an electrified meniscus is formed consisting of the conical meniscus of the precursor solution and a surrounding solvent layer; where downstream of the electrified meniscus a coaxial jet is formed consisting of the jet of the solution surrounded by the solvent layer; where the distance between the end of the inner capillary and the reference electrode varies between 1 mm and 1 m; where the potential difference applied between both electrodes varies between IV and 100 kV; where the flow rates of the solution and the solvent circulating in the capillaries are between 0.001 m
  • Another aspect of said first object of the invention relates to the use of a device, similar to that described in ES2326455A1, so that the mixture of at least one carbonaceous precursor and at least one chemical agent, duly dissolved by means of a suitable solvent, is forced through the intermediate annular space left by three capillary tubes located concentrically; where an inert liquid is forced through the innermost tube, which does not change phase during the process; where an appropriate volatile solvent is forced through the annular space between the two outermost tubes; where when applying a potential difference between the capillary tubes (connected to the same potential) and a reference electrode a meniscus is formed electrified with a structure in which the conical meniscus of the precursor solution is surrounded by a solvent layer and contains inside it the meniscus of inert liquid; where the jets emanating from the vertices of the menisci give rise to a coaxial jet of three liquids in which the precursor solution surrounds the inert liquid and is in turn surrounded by a solvent layer; where the distance between the end
  • Another aspect of said first object of the invention relates to the use of a device, similar to that described in ES2326455A1, where the inert liquid is replaced by another (polymer, sol-gel, etc.) capable of solidifying, so as to obtain Coaxial fibers formed by a polymeric or ceramic material surrounded by a lignin layer.
  • the inert liquid is replaced by another (polymer, sol-gel, etc.) capable of solidifying, so as to obtain Coaxial fibers formed by a polymeric or ceramic material surrounded by a lignin layer.
  • a second object of the present invention relates to particles and carbonaceous materials of optimized properties obtained by any of the variants of the process, and from any of the variants (precursors, chemical species, mixture thereof), which constitute the first object of the invention.
  • An embodiment of this aspect of the invention relates to carbonaceous fibrillar materials, particularly porous carbonaceous fibrillary materials.
  • Fibrillar materials can have a degree of widening and / or show a degree of interconnection determined by controlling the experimental conditions of the stabilization process, such as heating rate (mainly), temperature and stabilization time, air concentration , etc.
  • Fibrillar materials can be rigid, hollow or coaxial.
  • Fibrillar materials can be linear or branched and / or with specific surface areas between 100 and 4000 m 2 / g, mainly microporous or mesoporous or with a certain distribution of micropores and mesopores, with O contents of up to 30% and P of up to 15%, and a high resistance to thermal oxidation (up to 600 ° C) and electrochemical (up to 1.6 V against a reference electrode Ag / AgCl / Cl- (sat.) in a solution of H 2 SO 4 )
  • An embodiment of this aspect of the invention relates to nanoparticles.
  • An embodiment of this aspect of the invention relates to submicroparticles.
  • An embodiment of this aspect of the invention relates to microparticles.
  • a third object of the present invention relates to the application of said particles and materials that constitute the second object of the present invention, for example as adsorbents, catalysts, catalyst support and / or electrodes in supercapacitors, batteries, fuel cells, sensors and / or other electrochemical applications.
  • the invention relates, among others, to a process in which mixtures of carbonaceous precursors with chemical species, such as H 3 P0 4 , are electrowelled, which, once homogeneously dispersed in the electro-spun composite , have adequate properties to accelerate, simplify and / or improve the various stages of conversion of electro-spun precursors into their corresponding carbonized products (stabilization, carbonization, chemical and / or physical activation (gasification)).
  • chemical species such as H 3 P0 4
  • the electro-spinning produces fibrillar materials composed of very small dimensions (diameters up to 5 ⁇ ) and, being homogeneously mixed with the carbonaceous precursors, the chemical species directly produce 3 effects in the polymer precursor conversion process.
  • yarns in their corresponding final carbonaceous structures (i) they allow to accelerate (up to 50 times) and / or optimize (allowing a greater variety of conditions and / or reducing the temperature) the stabilization stage totally avoiding or improving the control of the fusion / partial swelling of said structures; and / or (ii) allow said structures to be chemically activated directly during the carbonization stage at different temperatures (450-1100 ° C, preferably 500-1000 ° C); and (iii) increasing its resistance to oxidation, allows partially and controlled gasification at high temperatures ((450-1100 ° C, preferably 500-1000 ° C), and under different oxidizing atmospheres with 0 2 , said materials during or after the carbonization stage at different temperatures ((450-1100 ° C, preferably 500-1000 ° C).
  • the thermal transformation of the electro-spun composite materials (precursors) into their corresponding carbonaceous structures can be carried out in 1-3 stages through 6 different processes according to the following modalities: (i) a single stage stabilization-carbonization using a single, inert atmosphere (N 2) or oxidizing (mixtures N 2/0 2); (ii) two steps consisting of a step of stabilization-carbonization in an inert atmosphere (N 2), followed by a subsequent additional step of partial gasification controlled oxidizing atmosphere (N 2 mixtures / 0 2); (iii) two successive stages of stabilization and carbonization carried out in different atmospheres (inert + oxidant or oxidant + inert); and (iv) three successive stages of stabilization, carbonization and activation - partial gasification carried out in various atmospheres (inert + oxid
  • the object of the present invention is also the carbonaceous fibrillar materials resulting from carrying out the process that constitutes the first object of the invention in any of its variants, having not been described in the state of the art to obtain said physicochemical properties together by other techniques and / or procedures.
  • fibrillar materials carbonates can be linear or branched and / or interconnected, and have diameters between 100 nm and 5 ⁇ .
  • stabilizing chemical species allows to control the degree of softening / partial fusion of the fibrillar structures at wider temperature intervals and at considerably higher heating rates, giving rise to various structures interconnected three-dimensional and its carbonaceous replicas.
  • the materials can be simple (rigid) or hollow, although they can also be of the coaxial type, in which the carbonaceous material covers or is coaxially coated by another different material, which can be interchangeably of the carbonaceous, polymeric or ceramic.
  • the materials can be microporous (pore diameter between 0.7 - 2.0 nm) (with volumes up to 1.5 crnVg), mesoporous (2.0 - 50 nm) (volumes up to 0.5 cm / g) or present a certain distribution of pore sizes that give them a high specific surface area from 500 to 3000 m 2 / g.
  • carbonaceous fibrillar materials can incorporate various heteroatoms or functionalities of the precursors themselves and / or chemical species or of the reactive atmosphere, such as oxygen (from 0.01 to 30%) and phosphorus (from 0.1 to 15%) , with acid-base, oxide-reduction (redox), complexing, exchangers, promoters of conductivity, catalytic activity, oxidation resistance, etc.
  • the materials have a certain tensile and / or deformation resistance (mechanical properties) and a high resistance to oxidation, withstanding temperatures of up to 600 ° C in the presence of air, after gasification.
  • composite fibrillar materials claimed herein can be additionally doped with catalytic or conductive particles (metallic, ceramic, carbonaceous) or other microstructured or nanostructured materials, the object of which is the modification of the structure and final properties of the carbon fibrillar structures obtained from the precursor / chemical species mixtures.
  • the lignin solution is doped with catalytic particles or other nanostructured materials to modify the properties of the carbon fibers obtained from the thermal treatment of those of lignin
  • the present invention claims the mixing or doping of the precursor with chemical species that not only affect the final properties of the carbon fibers, but also actively participate and decisively affect the stabilization and carbonization stages.
  • these species considerably reduce the time (from 3 days 11 hours to 1 h 30 min, about 50 times) and the stabilization temperature (from 200 to 150 ° C); simplify the number of stages and the amount of activating agent, so that the processes of stabilization, chemical activation, carbonization and / or physical activation can be carried out during the same heating stage; and, therefore, reduce the cost (energy, economic and / or pollution) of the overall manufacturing process; and, at the same time, the processes of chemical and physical activation (in the presence of controlled quantities of 0 2 at high temperatures) during or after gasification give rise to structures with significantly larger surface areas (up to 3000 m 2 / g compared to 700 m 2 / g in the absence of these species) and with a greater variety of textural and chemical properties, such as the presence of surface phosphorus groups that significantly increase oxidation resistance.
  • electrowinged lignin / phosphoric fibers behave in a completely different way from pure lignin (of the previous invention) in terms of heating rate, stabilization and carbonization temperatures , chemical stability, etc.
  • the present invention describes the advanced properties obtained together in the carbonaceous fibrillar materials, the obtaining of which by other methods has not been described in the state of the art.
  • Said amalgam of properties consists of fibrillar diameters of the order of a few microns or less, high surface areas of up to 3000 m 2 / g, and a rich surface chemistry with varying percentages of phosphorus that considerably increase its resistance to oxidation.
  • Figure 1 SEM images of linear (a) and branched (b) lignin fibers
  • Figure 2. Evolution of the heating rate and SEM images of the as-spun and stabilized lignin fibers at 0.05 ° C / min and 1 ° C / min (rounds-optical microscope) and those of 1 / 0.3 as-spun and stabilized at 0.05 ° C / min and 1 ° C / min, 3 ° C / min 4-5 ° C / min.
  • the present invention claims a method that allows the manufacture of various carbonaceous fibrillar materials with high specific surface and oxidation resistance by electro-spinning and subsequent thermal transformation of composite materials formed by carbon precursors (majority component: lignin, breas and other derivatives of the pyrolysis of natural organic waste, as well as resins of plant origin) and a chemical stabilizing agent to accelerate the stabilization stage and / or capable of inducing a chemical activation process during the carbonization stage and which, increasing the resistance against oxidation / gasification at high temperatures, allow a controlled partial gasification of the carbonaceous fibers in the presence of gases containing oxygen during or after the carbonization stage, to reduce the duration and simplify its global manufacturing process and, at the same time, modulate and optimize their property It is textural, structural and / or chemical.
  • Stirring can be performed at different speeds (recommended between 25 and 500 rpm), and is strictly necessary for a sufficient time (a minimum of 2 h is recommended) to dissolve the possible precursor and chemical agent agglomerates and obtain a homogeneous mixture, while that heating is required due to the difficulty of obtaining a viscous solution of lignin at room temperature.
  • the concentration and nature of the precursor, chemical species and solvent (composition) of the solutions determine its viscosity and conductivity, very important properties that greatly affect the feed flow of the mixture and / or the stability and properties of the Taylor cone, which in Ultimately, they will determine both the success of the electrowinning process and the advantages in the subsequent thermal stages and the properties of the resulting materials. Consequently, the precise control of both parameters, viscosity and conductivity, is of vital importance for the process claimed here, and to a greater extent, considering the great influence of chemical species on these parameters.
  • the viscosity of the solution depends mainly on the concentration of the carbonaceous precursor.
  • the nature and concentration of the chemical agent can play a very important role.
  • solid chemical agents KOH, NaOH, ZnCl 2
  • H 2 S0 4 98wt%. 20.5 cP (20 ° C) ;
  • HN0 3 68wt% solid chemical agents
  • H 3 P0 4 greatly increases the viscosity of lignin-ethanol solutions so that its priming / feeding to the electrowinning system must be carried out quickly after stirring, when they are still hot, thus taking advantage of its lower viscosity with the temperature and facilitate its movement through the ducts and needles of reduced diameter.
  • the solutions are then cooled rapidly to room temperature, but increasing their viscosity does not prevent or hinder the controlled flow of the mixture due to inertia. acquired after the initial impulse.
  • the conductivity of the solution is determined mainly by the nature of the volatile solvent, but, likewise, the addition of some chemical agents (acids and bases above all) can greatly affect and condition the stability of the Taylor cone and , consequently, the properties of the fibers.
  • the solutions must show a minimum electrical conductivity to deform the solution and generate the Taylor cone, while the concentrations of precursor and chemical agent must be appropriate for, on the one hand, achieving viscosity and molecular interlacing necessary and that the mixture can be spun, and on the other, to maintain a stable Taylor cone that allows continuous ejection of a jet of solution that is transformed into fibers.
  • increasing the concentration of H3PO4 considerably increases the conductivity of the mixed solution and, in parallel, the instability and whiplash of the Taylor cone, which begins to be considerable for lignin / t PC ⁇ mixtures with a 1 / 0.5 ratio .
  • the electrowinning process is not feasible (the viscosity and conductivity of the solution are so high that a sufficient voltage cannot be applied so that the electro-hydrodynamic forces deform the meniscus, and the fiber formation process it is interrupted) and even while obtaining some short fibers, its heating during the stabilization stage causes the softening of H3PO4 phases that melt and destroy the fibrillar structure.
  • the maximum value of viscosity and / or conductivity depends on the nature and concentration of carbonaceous precursor and chemical agent, so the electro-spinning of different mixtures requires a specific knowledge of each precursor system / chemical agent / solvent.
  • the proportion of solvent versus precursor for example ethanol vs. lignin
  • the concentration of chemical agent should be that necessary to induce the desired stabilization, activation and oxidation resistance effect.
  • concentrations and / or compositions of the solutions lignin + ethanol + H3PO4 With specific viscosities and electrical conductivities, necessary to carry out the electrowinning process successfully, they have not been reported and cannot be deduced from the state of the art in the electrowinning technique or in the preparation of carbonaceous materials with H 3 P0 4 , for which they are claimed in the present invention.
  • concentration of the precursor and chemical species decrease and its molecules are not able to remain cohesive and produce a continuous fibrillar material before the applied voltage.
  • the solution is atomized in the form of electrospray to give rise to compound spherical particles precursor / chemical agent with diameters similar to those of the fibers.
  • the electro-spinning of the precursor / chemical agent mixtures is carried out at room temperature and without polymeric additives by means of a coaxial device similar to that claimed in a previous invention (ES2326455B2).
  • the precursor / chemical agent mixture prepared according to the method claimed herein is fed through the internal needle and a flow of solvent with low boiling point, typically ethanol, with a flow rate of between 1% and 50% is passed through the external (normally 10%) of the solution of the mixture, to avoid solidification of the Taylor cone.
  • solvent with low boiling point typically ethanol
  • the increase in viscosity induced by H 3 P0 4 leads to an increase in the flow necessary to electrowire the solution, being narrow (usually around ⁇ 0.5 ml / min) the interval of flows that enable this process.
  • the appropriate solution flow rate is around 3 ml / min and for a mixture 1 / 0.3, about 4 ml / min, approximately double that in the absence of phosphoric.
  • the increase in viscosity and flow entail the need to use higher voltages to generate the Taylor cone. For the previous cases, for example, voltages of 20-22kV and 24-26 kV are needed, respectively, when the distance between the needle and the collector is 30 cm.
  • the precursor / chemical species compound fibrillar structures have similar percentages of the chemical species used to prepare the solutions.
  • lignin / H 3 P0 4 fibers prepared from a solution with a 1 / 0.3 ratio have a high percentage of phosphorus with a high percentage of oxygen (around 30% mass of oxygen) from the high oxygen content in the molecular structure of lignin and the presence of H 3 P0 4 .
  • the chemical species efficiently introduced into the fibrillar structures of the carbonaceous precursor allows accelerating and / u optimize the stabilization stage and / or directly induce a chemical activation process and / or allow partial gasification (with gases containing oxygen) during or after the carbonization stage of said structures to reduce the duration and simplify their manufacturing process global and, at the same time, modulate and optimize the textural, structural and / or chemical properties of the final carbonaceous materials. Therefore, the electro-spun composite fibrillary materials claimed herein are totally exceptional and novel, different from those of other inventions and / or works of the state of the art.
  • the electro-spinning of mixtures with chemical species claimed here can be carried out with other carbonaceous precursors, such as resins of plant origin, breasts or derivatives of the pyrolysis of natural organic waste, adjusting their rheological properties (viscosity and conductivity), and other volatile solvents other than ethanol, as propanol, acetone, H 2 0, etc. or mixture thereof.
  • carbonaceous precursors such as resins of plant origin, breasts or derivatives of the pyrolysis of natural organic waste, adjusting their rheological properties (viscosity and conductivity), and other volatile solvents other than ethanol, as propanol, acetone, H 2 0, etc. or mixture thereof.
  • both the manufacturing advantages and the novel effects and properties that are claimed here for carbonaceous fibrillar structures, from electrohydrodynamic processing of precursor / chemical species mixtures, can be extended to other conformations and / or combinations
  • spherical carbon particles can be obtained (and after subsequent heat treatments); while by means of a triaxial configuration device, hollow or coaxial carbonaceous fibrillar structures can be obtained, only by passing an inert sacrificial liquid or other solution or gel of a material capable of solidifying (polymers, sol-gel, etc.) through the concentric needle inside.
  • the different materials in fibrillar, tubular, coaxial and particular form, obtained from the electrohydrodynamic processing of precursor / chemical species mixtures that are claimed here can be additionally doped (and directly in a single stage) with particles (metallic, ceramic, carbonates), functionalities and / or their precursors, to modify and / or optimize the structural, mechanical, conductive, chemical properties (catalytic activity, stability, etc.) of the final carbonaceous materials.
  • the fibrillar-shaped precursor / chemical species composites are transformed into carbonaceous structures at elevated temperatures. Due to the thermoplastic nature of the precursors, the conservation of their fibrillar structure requires a previous stage of thermo-oxidative stabilization. The process is carried out in a conventional oven or oven in the presence of air, heating from 60 ° C to moderate temperatures (250 ° C maximum). During this stage, the presence of stabilizing chemical species, such as H 3 P0 4 , homogeneously distributed throughout the fibrillar structure of the carbonaceous precursor, promotes various reactions of dehydration, oxidation and cross-linking between the oxygenated groups of the precursor polymer molecules, stabilizing its f ⁇ brilar structures.
  • stabilizing chemical species such as H 3 P0 4
  • the unique properties of electro-spun lignin / H 3 P0 4 composites allow very fast heating ramps, up to 3 ° C / min, and temperatures to be used of very low stabilization, up to 150 ° C, maintained for 1 h, without compromising the original fibrillar structure and giving rise to linear fibrillar structures (Figure 2).
  • the stabilizing effect H3PO4 is such that, with oxygen-rich precursors (such as lignin), it allows the stabilization process to be carried out even in an inert atmosphere, such as that used in the carbonization process and, obviously, in atmospheres with different oxygen contents.
  • the stabilizing effect of H 3 P0 4 also allows higher heating rates to be used, between 4-6 ° C / min (processes up to 100 times faster), but in this case the fibers soften and undergo a certain degree of widening and / or partial fusion, giving rise to interconnected fibers and, therefore, three-dimensional structures (mesh type) ( Figure 2). Again, said structures and / or the control in their degree of interconnection cannot be achieved so quickly in the absence of stabilizing agent due to the low glass transition temperature of these polymeric precursors, which melt completely at these heating rates.
  • inorganic acids and bases can be used with dehydration such as phosphoric acid and derivatives, sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, methane sulfonic acid, aromatic sulfonic acid, carboxylic acids and alcohols, etc., as well as their corresponding salts or esters.
  • the carbonization of the fibrillar materials is carried out in an oven by heating them in an inert atmosphere to high temperatures (500-1000 ° C) and using much faster heating ramps (around 10-20 ° C / min ), without the electro-spun structures seeing their fibrillar structure compromised.
  • a rearrangement of carbon atoms occurs to give rise to aromatic ring sheets (graphitization) and the evolution of different volatile compounds and carbonaceous and / or oxygenated groups with structure development porous
  • the presence of chemical species with activating properties, such as those of H3PO4 favor decomposition processes producing an extra development of porosity.
  • the process of carbonization of the fibrillar materials stabilized in an inert atmosphere leads to a development of the porosity lower (up to 1100 m 2 / g) to that of the stabilized ones in the presence of air or other atmospheres with oxygen (as a consequence of the lower oxygen uptake in the form of leaving groups during the heat treatment), but still greater than that achieved in the absence of activating agent and, in addition, obtaining it directly after said stabilization in the presence of the same inert atmosphere.
  • This preparation of carbonaceous, linear or interconnected fibrillar materials, in which a chemical species is introduced to induce a stabilization process in an inert atmosphere and to be able to carry out a carbonization process directly without changing the atmosphere, is also completely exclusive of the present invention
  • various inorganic acids such as phosphoric and their derivatives (for example, metaphosphoric, pyrophosphoric, phosphorous, phosphonic, phosphonous, phosphine, phosphine) can be used ), sulfuric acid, nitric acid, or its salts.
  • the presence of a chemical agent such as H 3 P0 4 , and / or in the form of different types of phosphorus functionalities increases the oxidation resistance of the carbonaceous transformation precursor, so that the carbonization process can be carried out in oxidizing atmospheres (containing up to 5-10% in 0 2 , depending on the temperature, treatment time, diameter of the fibers) also up to high temperatures (500-1000 ° C ) without producing total uncontrolled gasification (combustion) of the fibrillar materials ( Figure 4a) (yields 5-30%).
  • the high resistance to oxidation induced by this type of chemical species allows to partially gasify (in a controlled manner, according to time, temperature, the amount of chemical species introduced, the percentage of oxygen) the carbonaceous fibrillar materials during the stage of carbonization and thus produce another extra development of porosity.
  • carbonization at 900 ° C in N2 / O2 atmospheres with 3-4% at 0 2 results in Linear or interconnected carbonaceous fibrillar structures (depending on the speed of the stabilization stage) with a surface area in the volume of 2000-2300 mg, approximately triple that in the absence of said activating agent (Figure 3).
  • the stabilization step can be carried out with atmospheres containing different percentages of 0 2
  • the carbonization process can also be carried out under these conditions directly by increasing the temperature following stabilization. .
  • the increase in oxidation resistance induced by the chemical species claimed here can not only be used during the heating of the carbonization stage, but certain phosphorus functionalities (up to 15% mass) are strongly retained. in the carbon structure (they remain after thorough washing in water at 60 ° C - ( Figure 5) and also induce an increase in oxidation resistance after carbonizing the fibrillar materials (Figure 4b).
  • phosphorus-containing compounds phosphoric, metaphosphoric, pyrophosphoric, phosphorous, phosphonic, phosphonous, phosphine, phosphine or their compounds can be used salts, polyphosphates, polyphosphonates or phosphonium salts, phosphines and phosphine oxides) or boron (boric acid, boric oxide, borax, sodium metaborate, sodium tetraborate, lithium metaborate, lithium pentaborate, lithium tetraborate, potassium metaborate, potassium tetraborate ).
  • phosphorothioic triamide phosphoric triamide, triamide ⁇ , ⁇ ', ⁇ ' '- trimethylphosphoric, diamide (chloromethyl) phosphonotionic, trimethyl phosphate, triethyl phosphate, diethyl methylphosphoramidate, diethyl ethylphosphoramide, diethyl methylphosphonic diamide, and mixtures thereof (found in some patents to increase the flame retardant effect)
  • the thermal process of transformation of the fibrillar precursors into the corresponding carbonaceous fibrillar structures can be carried out in 1 to 3 stages (2 to 4 stages for the overall process, considering the previous electrowinning stage) through 6 different processes according to the following modalities: a) 1 stage: a single stage of heating using a single atmosphere:
  • 3 stages three successive stages of stabilization, carbonization and partial gasification carried out in different atmospheres, stabilization processes (oxidant (air or any mixture N 2/0 2)) + chemical activation comprising (inert) + carbonization ( inert) + partial gasification (oxidant (mixture N 2/0 2 with up to 5% 0 2)), respectively.

Abstract

The method for the production of said particles and materials comprises electrospraying or electrospinning a mixture of at least one type of carbonaceous precursor and at least one type of chemical agent, preferably a precursor of phosphorous species, said carbonaceous precursor being functionalised with phosphorus homogeneously by means of dissolution in an appropriate solvent in suitable proportions and conditions, said method comprising between 1 and 3 additional steps compared to those of electrospraying or electrospinning which, in turn, encompass up to 6 different processes and which are carried out, according to the individual case, in either a single inert or oxidising atmosphere, or in up to three different atmospheres. The invention also relates to the carbonaceous particles and materials obtained by means of any of the variants of the method, to applications of said particles, and to said carbonaceous materials.

Description

PARTÍCULAS Y MATERIALES CARBONOSOS CON  CARBON PARTICLES AND MATERIALS WITH
PROPIEDADES OPTIMIZADAS, PROCEDIMIENTOS PARA SU OBTENCIÓN, Y APLICACIONES DE LOS MISMOS SECTOR TÉCNICO  OPTIMIZED PROPERTIES, PROCEDURES FOR OBTAINING, AND APPLICATIONS OF THE SAME TECHNICAL SECTOR
La presente invención se enmarca en el ámbito de los materiales fabricados por el hombre, particularmente de aquellos de naturaleza carbonosa, así como de los procedimientos de obtención de dichos materiales y de sus aplicaciones. The present invention falls within the scope of man-made materials, particularly those of a carbonaceous nature, as well as the procedures for obtaining said materials and their applications.
ESTADO DE LA TÉCNICA STATE OF THE TECHNIQUE
Debido a sus propiedades químicas, mecánicas, eléctricas y magnéticas únicas, las fibras u otras estructuras fibrilares (membranas/mallas/redes) de carbono se utilizan actualmente en numerosas aplicaciones de extraordinaria importancia tecnológica e industrial. Así, además de actuar como componentes de refuerzo muy ligeros en multitud de productos especiales de calidad superior y/o de lujo (industrias militar, aeroespacial, automovilística, deportiva, etc.), cuando se activan y presentan una porosidad adecuada estos materiales reciben gran interés en catálisis, en lechos de adsorción y absorción y/o procesos de separación, en los electrodos de pilas de combustible, supercondensadores y baterías, en almacenamiento de gases, nanoelectrónica, materiales compuestos, y cualquier otra aplicación donde se requieran materiales con una elevada superficie específica. Por otro lado, la posibilidad de preparar ensamblajes o entramados fibrilares interconectados en forma de membranas, mallas o redes ha suscitado gran interés, además, para otras aplicaciones, como los (bio)sensores o la ingeniería de tejidos en biomedicina o industria militar. Due to their unique chemical, mechanical, electrical and magnetic properties, carbon fibers or other fibrillar structures (membranes / meshes / networks) are currently used in numerous applications of extraordinary technological and industrial importance. Thus, in addition to acting as very light reinforcement components in a multitude of special products of superior quality and / or luxury (military, aerospace, automobile, sports, etc.), when activated and present an adequate porosity these materials receive great interest in catalysis, in adsorption and absorption beds and / or separation processes, in the electrodes of fuel cells, supercapacitors and batteries, in gas storage, nanoelectronics, composite materials, and any other application where materials with a high material are required specific surface On the other hand, the possibility of preparing interconnected fibrillar assemblies or frameworks in the form of membranes, meshes or networks has aroused great interest, in addition, for other applications, such as (bio) sensors or tissue engineering in biomedicine or military industry.
No obstante, a pesar de su gran potencial para numerosas aplicaciones, la utilización real de fibras y estructuras fibrilares de carbono depende en gran medida, además de sus propiedades y prestaciones, del coste de los procesos de producción. En este sentido, el elevado coste de los precursores carbonosos derivados del petróleo, principalmente el poli-acrilonitrilo (PAN) y las breas, y de sus etapas de procesado limitan enormemente una utilización más amplia y/o generalizada de estos materiales. Como consecuencia, existe un gran interés y se están realizando grandes esfuerzos a nivel de investigación en reducir los costes de fabricación de las fibras de carbono mediante la utilización de precursores más baratos y/o procesos de preparación más sencillos y económicos y, al mismo tiempo, menos contaminantes. However, despite its great potential for numerous applications, the actual use of carbon fibers and fibrillar structures depends largely, in addition to their properties and performance, on the cost of production processes. In this sense, the high cost of carbonaceous carbonaceous petroleum precursors, mainly poly-acrylonitrile (PAN) and breasts, and their processing stages greatly limit a wider and / or widespread use of these materials. As a consequence, there is great interest and great efforts are being made at the research level to reduce the manufacturing costs of carbon fibers through the use of cheaper precursors and / or simpler and cheaper preparation processes and, at the same time , less pollutants.
Entre las diferentes alternativas, el uso de polímeros naturales tales como los lignocelulósicos (lignina, hemicelulosa, celulosa) o las resinas, como precursores carbonosos abundantes, renovables, y de bajo coste, supone una aproximación ventajosa y prometedora. De esta forma, el desarrollo de subproductos de elevado valor añadido por parte de las industrias relacionadas con la biomasa, tales como las bio-refinerías o las industrias papeleras, podría suponer una gran oportunidad para reducir sus costes e impactos medioambientales asociados.  Among the different alternatives, the use of natural polymers such as lignocellulosics (lignin, hemicellulose, cellulose) or resins, as abundant, renewable, and low-cost carbonaceous precursors, is an advantageous and promising approach. In this way, the development of high value-added by-products by biomass-related industries, such as bio-refineries or paper industries, could be a great opportunity to reduce their associated environmental costs and impacts.
Particularmente, la preparación de fibras de carbono a partir de lignina se conoce desde mediados los años sesenta. Al igual que sucede con otros precursores carbonosos, la preparación de fibras de carbono a partir de lignina requiere básicamente de un proceso de hilado, seguido de un tratamiento térmico para estabilizarlas y posteriormente carbonizarlas. Puesto que la lignina por sí sola no puede hilarse para obtener fibras, Kubo y colaboradores propusieron la conversión de lignina en polímeros funcionales mediante un método apropiado de separación de la madera (S. Kubo, Y. Uraki and Y. Sano, Carbón 1998, 36, No. 7-8, pp. 1119- 1124). Entre los métodos de hilado convencionales, destaca claramente la obtención de fibras mediante extrusión del precursor rundido (melt- extrusion) (US7678358B2), de forma que la gran mayoría de los trabajos de investigación han ido encaminados a mejorar y optimizar la fusibilidad de las ligninas y su proceso de extrusión. En general, las estrategias han sido la optimización del proceso de extracción y/o purificación de ligninas más adecuadas o la modificación química y/o mezcla con otros polímeros (binders) que son capaces de producir fibras mediante extrusión térmica (D.A. Baker, T.G. Riáis, J. Appl. Polym. Sci. 2013, 130(2), 713-728). Sin embargo, a pesar de haber sido más estudiados, estos procesos de extrusión en fundido presentan 3 grandes desventajas: (i) el diámetro de las fibras está limitado por la obturación de las boquillas de extrusión, de forma que es difícil reducir el diámetro de las fibras por debajo de 20 um; (ii) el uso de etapas adicionales de purificación, mezcla con polímeros, tratamientos químicos adicionales y/o tratamientos térmicos necesarios para obtener un rundido óptimo aumentan considerablemente el número de etapas y la duración y el coste global del proceso; y (iii) las estrategias que favorecen la fusión de la lignina para el proceso de extrusión, generalmente favorecen también la fusión de las fibras durante la etapa de carbonización, por lo que dificultan y/o ralentizan al mismo tiempo la etapa de estabilización previa. Particularly, the preparation of carbon fibers from lignin has been known since the mid-1960s. As with other carbonaceous precursors, the preparation of carbon fibers from lignin basically requires a spinning process, followed by a heat treatment to stabilize and subsequently carbonize them. Since lignin alone cannot be spun to obtain fibers, Kubo et al proposed the conversion of lignin into functional polymers by an appropriate method of wood separation (S. Kubo, Y. Uraki and Y. Sano, Coal 1998, 36, No. 7-8, pp. 1119-1124). Among the conventional spinning methods, the obtaining of fibers by extrusion of the rounded precursor (melt extrusion) (US7678358B2) clearly stands out, so that the vast majority of research work has been aimed at improving and optimizing the fusibility of lignins and its extrusion process. In general, the strategies have been the optimization of the process of extraction and / or purification of more suitable lignins or the chemical modification and / or mixing with other polymers (binders) that are capable of producing fibers by thermal extrusion (DA Baker, TG Riáis , J. Appl. Polym. Sci. 2013, 130 (2), 713-728). However, despite having been more studied, these melt extrusion processes have 3 major disadvantages: (i) the diameter of the fibers is limited by the sealing of the extrusion nozzles, so that it is difficult to reduce the diameter of the fibers below 20 um; (ii) the use of additional stages of purification, mixing with polymers, additional chemical treatments and / or heat treatments necessary to obtain an optimal round considerably increase the number of stages and the duration and overall cost of the process; and (iii) the strategies that favor the fusion of lignin for In the extrusion process, they generally also favor the fusion of the fibers during the carbonization stage, so that they hinder and / or slow down the previous stabilization stage at the same time.
El uso de una técnica de producción sencilla y versátil, como el electrohilado, supone una aproximación ventajosa y prometedora para la preparación de fibras de lignina (ES2326455B2; R. Ruiz-Rosas, J. Bedia, M. Lallave, I.G. Loscertales, A. Barrero, J. Rodríguez-Mirasol, T. Cordero. Carbón, 2010, 48(3), 696-705). Así, el electrohilado resuelve gran parte de los problemas asociados al método de melt-extrusion, ya que permite la fabricación a temperatura ambiente de micro y sub(micro)fibras de lignina directamente en un solo paso y sin la adición de polímeros ni tratamientos químicos. Además, el electrohilado de disoluciones de lignina presenta varias ventajas frente al de los precursores más comunes, como el PAN, pues además de ser más barata, la elevada solubilidad de la lignina en disolventes volátiles comunes evita procesos de recuperación de disolventes que encarecen el proceso.  The use of a simple and versatile production technique, such as electro-spinning, is an advantageous and promising approach to the preparation of lignin fibers (ES2326455B2; R. Ruiz-Rosas, J. Bedia, M. Lallave, IG Loscertales, A. Barrero, J. Rodríguez-Mirasol, T. Cordero, Carbon, 2010, 48 (3), 696-705). Thus, electro-spinning solves a large part of the problems associated with the melt-extrusion method, since it allows the manufacture at room temperature of micro and sub (micro) lignin fibers directly in a single step and without the addition of polymers or chemical treatments . In addition, the electro-spinning of lignin solutions has several advantages over the most common precursors, such as PAN, because in addition to being cheaper, the high solubility of lignin in common volatile solvents avoids solvent recovery processes that make the process more expensive .
Independientemente del método de hilado, la preparación de fibras de carbono está limitada en gran medida por la fusibilidad térmica de los precursores poliméricos fibrilares durante la etapa de carbonización. Esto se debe a que la temperatura de transición vitrea de la mayoría de los precursores poliméricos está muy por debajo de la temperatura de carbonización. En consecuencia, las fibras poliméricas normalmente requieren de un pretratamiento de estabilización para evitar su fusión/"ablandamiento" y preservar su forma fibrilar durante la etapa de carbonización. El método más empleado para la estabilización de los precursores fibrilares es la estabilización térmica oxidativa en presencia de aire (termoestabilización oxidativa), en la que una serie de reacciones que ocurren con un aumento lento de la temperatura, incrementan la temperatura de transición vitrea a mayor velocidad que la propia temperatura del sistema, de forma que el material se mantiene en su estado vitreo durante su calentamiento. La rigidez adquirida durante este proceso permite calentar, a continuación, el precursor hasta la temperatura de carbonización sin experimentar fusión. Sin embargo, a pesar de ser un método sencillo, la estabilización de los precursores fibrilares es una etapa adicional que requiere un calentamiento muy lento (varios días) hasta temperaturas de 200-250 °C y que, por tanto, ralentiza enormemente y encarece la producción de materiales fibrilares carbonosos (D.A. Baker, T.G. Riáis, J Appl Polym. Sel 2013, 130(2), 713-728). La estabilidad térmica/fusibilidad de los precursores, así como las condiciones necesarias para llevar a cabo su estabilización, dependen principalmente de su composición química, que en último término está determinada por la naturaleza del precursor en cuestión y el método de obtención/extracción/purificación. Así, puesto que ya se encuentra considerablemente oxidada, la lignina puede termo-estabilizarse de forma oxidativa potencialmente a velocidades mucho mayores que las breas o el PAN. No obstante, la estabilización de fibras de lignina requiere de rampas de calentamiento todavía muy bajas, típicamente 0.05-0.08 °C/min, seguido de tiempos prolongados (típicamente 36 h) a la temperatura de estabilización (200-250 °C) (R. Ruiz-Rosas, J. Bedia, M. Lallave, I.G. Loscertales, A. Barrero, J. Rodríguez-Mirasol, T. Cordero. Carbón, 2010, 48(3), 696-705). A pesar de su importancia, la gran mayoría de los estudios sobre la preparación de fibras de carbono a partir de lignina se centran en facilitar y/u optimizar su proceso de hilado y proponer estrategias para aumentar sus propiedades mecánicas. Así, a diferencia del PAN y las breas, para los que se han propuesto numerosas estrategias de estabilización, menos son los estudios encaminados a mejorar/optimizar, acelerar o evitar la etapa de estabilización de fibras de lignina. Fundamentalmente, las estrategias se basan en (i) el diseño de nuevas rutas de extracción y/o purificación de ligninas (más adecuadas) con mayores temperaturas de transición vitrea (lignina Alcell) o con fracciones moleculares más adecuadas (WO2012112108A1; WO2013112100A1); (ii) la incorporación de determinados polímeros que favorecen el proceso de hilado y al mismo tiempo mejoran la etapa de estabilización, como el poli(etileno tereftalato) (PET) (S. Kubo and J. F. Kadla J. Polym. Environ. 2005, 13(2), 97-105) o el poli(óxido de etileno) (PEO) (S. Hu, Y.-L. Hsieh, J Mater. Chem. A 2013, 1, 1 1279-1 1288; I. Dallmeyer, L. T. Lin, Y. Li, F. Ko, J. F. Kadla, Macromol. Mater. Eng. 2013, 298, 1-12); <iii) tratamientos térmicos de ligninas pirolíticas previos al proceso de hilado (W. Qin, J. F. Kadla, J Appl. Polym. Sel 2012, 126, E203-E212); (iv) tratamientos químicos (HC1 1- 6 M a 100 °C entre 2 y 6 h) para eliminar determinadas fracciones (PEG) de la lignina (J. Lin, S. Kubo, T. Yamada, K. Koda, Y. Uraki, BioResources 2010, 7(4), 5634-5646). No obstante, el uso de tratamientos físicos, químicos y/o térmicos adicionales de purificación y/o modificación, o la mezcla con otros polímeros de sacrificio aumentan considerablemente el tiempo, el número de etapas y el coste del proceso. La posibilidad de utilizar simplemente un agente/molécula estabilizante para diferentes tipos de lignina ha sido propuesta por Poeppel y col., quienes llevan a cabo la incubación/impregnación de los precursores, antes o después de la etapa de hilado en fundido (melt-extrusion), con varias moléculas de entrecruzamiento ("crosslinkers") para permitir la estabilización sin fusión hasta 2 °C/min (EP2644758A1). No obstante, el método de estabilización es completamente diferente, pues se refiere exclusivamente a la utilización de unas moléculas con estructura: Regardless of the spinning method, the preparation of carbon fibers is largely limited by the thermal fusibility of the polymeric fibrillar precursors during the carbonization stage. This is because the glass transition temperature of most polymeric precursors is well below the carbonization temperature. Consequently, polymeric fibers normally require a stabilization pretreatment to prevent their melting / "softening" and preserve their fibrillar shape during the carbonization stage. The most commonly used method for stabilizing fibrillar precursors is oxidative thermal stabilization in the presence of air (oxidative thermostabilization), in which a series of reactions that occur with a slow increase in temperature, increase the glass transition temperature to greater speed than the system temperature itself, so that the material remains in its vitreous state during its heating. The rigidity acquired during this process then allows the precursor to be heated to the carbonization temperature without experiencing melting. However, despite being a simple method, stabilization of fibrillar precursors is an additional stage that requires very slow heating (several days) to temperatures of 200-250 ° C and, therefore, greatly slows down and makes the production of carbonaceous fibrillar materials (DA Baker, TG Riáis, J Appl Polym. Sel 2013, 130 (2), 713-728). The thermal stability / fusibility of the precursors, as well as the conditions necessary to carry out their stabilization, depend mainly on their chemical composition, which is ultimately determined by the nature of the precursor in question and the method of obtaining / extracting / purifying . Thus, since it is already considerably oxidized, lignin can be oxidatively thermo-stabilized potentially at much higher speeds than breasts or PAN. However, stabilization of lignin fibers requires still very low heating ramps, typically 0.05-0.08 ° C / min, followed by prolonged times (typically 36 h) at the stabilization temperature (200-250 ° C) (R Ruiz-Rosas, J. Bedia, M. Lallave, IG Loscertales, A. Barrero, J. Rodríguez-Mirasol, T. Cordero, Carbon, 2010, 48 (3), 696-705). Despite its importance, the vast majority of studies on the preparation of carbon fibers from lignin focus on facilitating and / or optimizing your spinning process and proposing strategies to increase its mechanical properties. Thus, unlike PAN and Breas, for which numerous stabilization strategies have been proposed, fewer studies are aimed at improving / optimizing, accelerating or avoiding the stabilization stage of lignin fibers. Fundamentally, the strategies are based on (i) the design of new routes of extraction and / or purification of lignins (more suitable) with higher glass transition temperatures (lignin Alcell) or with more suitable molecular fractions (WO2012112108A1; WO2013112100A1); (ii) the incorporation of certain polymers that favor the spinning process and at the same time improve the stabilization stage, such as poly (ethylene terephthalate) (PET) (S. Kubo and JF Kadla J. Polym. Environ. 2005, 13 (2), 97-105) or poly (ethylene oxide) (PEO) (S. Hu, Y.-L. Hsieh, J Mater. Chem. A 2013, 1, 1 1279-1 1288; I. Dallmeyer , LT Lin, Y. Li, F. Ko, JF Kadla, Macromol. Mater. Eng. 2013, 298, 1-12); <iii) heat treatments of pyrolytic lignins prior to the spinning process (W. Qin, JF Kadla, J Appl. Polym. Sel 2012, 126, E203-E212); (iv) chemical treatments (HC1 1- 6 M at 100 ° C between 2 and 6 h) to eliminate certain fractions (PEG) of lignin (J. Lin, S. Kubo, T. Yamada, K. Koda, Y. Uraki, BioResources 2010, 7 (4), 5634-5646). However, the use of additional physical, chemical and / or thermal treatments of purification and / or modification, or mixing with other slaughter polymers considerably increases the time, the number of stages and the cost of the process. The possibility of simply using a stabilizing agent / molecule for different types of lignin has been proposed by Poeppel et al., Who carry out the incubation / impregnation of the precursors, before or after the melt spinning stage (melt-extrusion ), with several crosslinking molecules ("crosslinkers") to allow stabilization without melting up to 2 ° C / min (EP2644758A1). However, the stabilization method is completely different, since it refers exclusively to the use of molecules with structure:
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y requiere de una etapa de incubación a temperaturas relativamente bajas (0-20 °C) y de otra de pre-estabilización entre 20-60°C durante 10-60 min, previas a la principal a 240- 260 °C. Por otro lado, el efecto del H3P04 como agente promotor de la estabilización fue sugerido por Chenevey y col, quienes patentaron un método/proceso de preparación de fibras o films acrílicas estabilizadas mediante la incorporación de un agente estabilizante (el ¾P04 entre varias opciones) previa etapa de hilado (extrusión de la disolución), seguido de etapa de estabilización oxidativa entre 200-350 °C (US4002426A). Sin embargo, el proceso se describe exclusivamente para fibras acrílicas, cuya composición química y mecanismos de polimerización, estabilización y carbonización son bien diferentes al de los polímeros naturales. Además, en ambos casos el método de hilado y, por tanto, las dimensiones y otras propiedades finales de los materiales resultantes son completamente diferentes a los que aquí se reivindican. and requires an incubation stage at relatively low temperatures (0-20 ° C) and a pre-stabilization stage between 20-60 ° C for 10-60 min, prior to the main at 240-260 ° C. On the other hand, the effect of H 3 P0 4 as a stabilizing promoter was suggested by Chenevey et al, who patented a method / process for preparing stabilized acrylic fibers or films by incorporating a stabilizing agent (elP0 4 between several options) previous spinning stage (solution extrusion), followed by oxidative stabilization stage between 200-350 ° C (US4002426A). However, the process is described exclusively for acrylic fibers, whose chemical composition and polymerization, stabilization and carbonization mechanisms are very different from that of natural polymers. In addition, in both cases the spinning method and, therefore, the dimensions and other final properties of the resulting materials are completely different from those claimed herein.
Durante la etapa de carbonización a elevadas temperaturas y en ausencia de oxígeno (atmósfera inerte), se produce una descomposición química de los precursores carbonosos junto con una restructuración/ordenamiento de los átomos de carbono para dar lugar a dominios ordenados de anillos aromáticos. El grado de ordenamiento aumenta con la temperatura y el tiempo de tratamiento térmico. En el caso de las fibras de lignina preparadas por electrohilado, además, el incremento de la temperatura durante la etapa de carbonización produce un desarrollo considerable de la microporosidad y, por tanto, un aumento de su área superficial específica hasta valores de 1100-1200 m2/g a 900 °C (Ruiz-Rosas, J. Bedia, M. Lallave, I.G. Loscertales, A. Barrero, J. Rodríguez- Mirasol, T. Cordero. Carbón, 2010, 48(3), 696-705). A pesar de obtener estas áreas relativamente elevadas, para mostrar buenas prestaciones en multitud de aplicaciones se necesita normalmente una mayor área superficial, una porosidad adecuada y/o la presencia de heteroátomos o grupos funcionales que afectan enormemente la química superficial de los materiales carbonosos. En este sentido, al aumentar la temperatura durante los tratamientos térmicos para llevar a cabo el proceso de carbonización se favorece la eliminación de heteroátomos y grupos funcionales. La obtención de fibras y estructuras fibrilares activadas o con un elevado desarrollo de la porosidad y/o una rica química superficial ha sido ampliamente estudiada. Dichas propiedades se han obtenido convencionalmente mediante una etapa de activación química tras la impregnación del precursor en forma fibrilar con un agente adecuado (NaOH, KOH, H3PO4, ZnCl2, etc.) o activación física de las fibras carbonizadas, consistente en pasar un gas inerte (C02) u oxidante (vapor de agua) a elevadas temperaturas (800-900 °C). Mediante estos tratamientos se han preparado fibras de carbón activado (FCAs) con áreas (2000-3000 m2/g) que igualan o superan las de los carbones activados en forma granular o polvo, pero además de ser preparadas por otros métodos y tener dimensiones mucho mayores requieren etapas adicionales de impregnación-secado y/o activación física, y cantidades de agente activante mayores. En el caso particular de la lignina hilada por melt-extrusion, se han obtenido FCAs mediante activación con vapor de H20 a 900 °C de hasta 3000 m2/g, igualando los de otras FCAs preparadas a partir de otros precursores y, por tanto, demostrando el potencial de la lignina para la preparación de este tipo de materiales. No obstante, además de utilizar un método de hilado diferente y obtener fibras con diámetros entre 3 y 4 veces superiores a los que aquí se reivindican, para obtener tales desarrollos de la porosidad utilizaron una etapa de activación adicional, a elevadas temperaturas, y con un mecanismo físico totalmente diferente a los que aquí se reivindican. During the carbonization stage at high temperatures and in the absence of oxygen (inert atmosphere), a chemical decomposition of the carbonaceous precursors occurs along with a restructuring / ordering of the carbon atoms to give rise to ordered domains of aromatic rings. The degree of ordering increases with temperature and heat treatment time. In the case of lignin fibers prepared by electro-spinning, in addition, the increase in temperature during the carbonization stage produces a considerable development of microporosity and, therefore, an increase in its specific surface area to values of 1100-1200 m 2 / g at 900 ° C (Ruiz-Rosas, J. Bedia, M. Lallave, IG Loscertales, A. Barrero, J. Rodríguez-Mirasol, T. Cordero. Carbon, 2010, 48 (3), 696-705). Despite getting these areas relatively high, to show good performance in a multitude of applications, a larger surface area, adequate porosity and / or the presence of heteroatoms or functional groups that greatly affect the surface chemistry of carbonaceous materials are normally required. In this sense, by increasing the temperature during heat treatments to carry out the carbonization process, the elimination of heteroatoms and functional groups is favored. Obtaining fibers and fibrillar structures activated or with a high development of porosity and / or rich surface chemistry has been extensively studied. Said properties have been conventionally obtained by a chemical activation step after impregnation of the precursor in fibrillar form with a suitable agent (NaOH, KOH, H3PO4, ZnCl 2 , etc.) or physical activation of the carbonized fibers, consisting of passing a gas inert (C0 2 ) or oxidant (water vapor) at high temperatures (800-900 ° C). Through these treatments, activated carbon fibers (FCAs) have been prepared with areas (2000-3000 m 2 / g) that match or exceed those of activated carbon in granular form or powder, but in addition to being prepared by other methods and having dimensions much larger require additional stages of impregnation-drying and / or physical activation, and larger amounts of activating agent. In the particular case of melt-extrusion spun lignin, FCAs have been obtained by steam activation of H 2 0 at 900 ° C of up to 3000 m 2 / g, matching those of other FCAs prepared from other precursors and, Therefore, demonstrating the potential of lignin for the preparation of such materials. However, in addition to using a different spinning method and obtaining fibers with diameters between 3 and 4 times greater than those claimed herein, to obtain such porosity developments they used an additional activation stage, at elevated temperatures, and with a physical mechanism totally different from those claimed here.
Respecto al efecto del H3PO4 durante la etapa de carbonización, Moore y col. propusieron un método/proceso de carbonización de precursores fibrilares carbonosos (en general) tratados con H3P04 o derivados, en el que actúan como catalizadores de las transformaciones pirolí ticas durante la carbonización y como agentes que mejoran las propiedades físicas y el rendimiento de los materiales carbonosos finales (US3527564A).. Por otro lado, De La Pena y col. patentaron un método/proceso de preparación de fibras o films de CA a partir de la carbonización y posterior activación de fibras de celulosa en una atmósfera inerte entre 200 y 1100 °C (ambas etapas), en el que, previamente a la activación, el material celulósico o carbonizado se impregna con un compuesto que contiene átomos de boro y otro con átomos de fósforo, de forma que la impregnación aumenta la velocidad de activación y, por tanto, reduce el tiempo de activación, para conseguir áreas por encima de 700 m2/g (máxima reflejada, 1629 m2/g) (J.M.D. De La Pena, R.A. Roberts US5202302 1993). En este caso, sin embargo, además de no incluir el proceso específico de electrohilado (con sus requisitos y peculiaridades), la activación y carbonización se llevan a cabo como dos etapas diferentes y se describe un efecto en la velocidad activación que nada tiene que ver con el proceso de estabilización termo- oxidativa para evitar la fusión de los materiales fibrilares termoplásticos. Regarding the effect of H 3 PO4 during the carbonization stage, Moore et al. proposed a method / process of carbonization of carbonaceous fibrillar precursors (in general) treated with H 3 P0 4 or derivatives, in which they act as catalysts for the pyrolytic transformations during carbonization and as agents that improve the physical properties and yield of the final carbonaceous materials (US3527564A) .. On the other hand, De La Pena et al. patented a method / process of preparing CA fibers or films from the carbonization and subsequent activation of cellulose fibers in an inert atmosphere between 200 and 1100 ° C (both stages), in which, prior to activation, the cellulosic or carbonized material is impregnated with a compound that it contains boron atoms and another with phosphorus atoms, so that impregnation increases the activation speed and, therefore, reduces the activation time, to achieve areas above 700 m 2 / g (maximum reflected, 1629 m 2 / g) (JMD De La Pena, RA Roberts US5202302 1993). In this case, however, in addition to not including the specific electro-spinning process (with its requirements and peculiarities), the activation and carbonization are carried out as two different stages and an effect on the activation speed is described that has nothing to do with the thermo-oxidative stabilization process to avoid the fusion of thermoplastic fibrillar materials.
Más reciente, Baker propone un método/proceso muy general de preparación de fibras de CA a partir de precursores naturales y/o renovables, incluyendo el mezclado de dichos precursores con un agente químico activante (activación química), su procesado de hilado en fibras (co-spinning) y su tratamiento térmico para llevar a cabo la carbonización y activación en una sola etapa (US 2007/0142225 Al). En la descripción detallada habla del electrohilado como posible técnica y propone la lignina y el H3P04 como sus ejemplos "preferidos". El inventor indica 3 efectos del H3P04: promotor de la carbonización a baja temperatura (400-500 °C), retardante de llama aumentando el rendimiento en carbono y asistente (favorecedor) del proceso de extrusión, además de mencionar que el hecho de utilizar temperaturas más bajas y la posibilidad de carbonizar y activar químicamente en una etapa (siempre en atmósfera inerte) suponen ahorros energéticos y procesados más cortos. Sin embargo, además de no reivindicar nada de lo anterior, el inventor propone un ejemplo profético ("Prophetic example") con unas relaciones de impregnación lignina/H3P04 preferidos desde 1/0.5 a 1/3, y la extrusión convencional y/o extrusión en fundido como técnicas de hilado. Es decir, el inventor describe procesos y efectos y propone relaciones de impregnación (convencionales y muy estudiadas) y otras condiciones experimentales (métodos tradicionales y más conocidos para la preparación de fibras) que se deducen fácilmente del estado del arte para obtener fibras de carbono activadas preparadas a partir de precursores naturales, tratando de abarcar todas las propiedades posibles que uno pueda pensar o imaginar: materiales con una distribución de tamaños de poro desde 2 a 100 nra o predominantemente microporosas, mesoporosas o macroporosas, y conteniendo una gran variedad de heteroátomos incorporados a la estructura carbonosas y al menos un metal disperso (Pt, Pd, Ni, Fe, Cr, Ti) sobre la totalidad de la estructura de dichas fibras. En este sentido, aunque el autor trata de hablar también del proceso de electrohilado y de la lignina y el H3P04, como ejemplos preferidos, las relaciones de impregnación que propone son exactamente las que no permiten e imposibilitan el proceso de electrohilado y de termoestabilización (al menos, en base al procedimiento aquí propuesto y a los conocimientos de sus inventores). Por este motivo, probablemente el autor no aporta ningún detalle de este procedimiento de síntesis ni de sus condiciones de operación. Cualquier experto en la materia,fracasaría al intentar deducir cómo poder hacerlo porque probaría las condiciones que, en base a sus conocimientos, conducen a observar los efectos de activación química con H3P04. Por otro lado, no describe ningún efecto novedoso del H P04 en las etapas de estabilización o en la resistencia a la oxidación (ni nada relacionado con las gasificaciones controladas en presencia de 02) y, cuando reivindica la funcionalización de las estructuras carbonosas, sólo habla de N y S y que lo hace exclusivamente a partir de moléculas heterocíclicas, lo cual llama mucho la atención debido a la ampliamente conocida incorporación de P en los procesos de activación con H3P04.. More recently, Baker proposes a very general method / process of preparing AC fibers from natural and / or renewable precursors, including mixing said precursors with a chemical activating agent (chemical activation), its fiber spinning process ( co-spinning) and its heat treatment to carry out carbonization and activation in a single stage (US 2007/0142225 Al). In the detailed description he talks about electro-spinning as a possible technique and proposes lignin and H 3 P0 4 as his "preferred" examples. The inventor indicates 3 effects of H 3 P0 4 : low temperature carbonization promoter (400-500 ° C), flame retardant increasing carbon yield and assistant (favoring) of the extrusion process, in addition to mentioning that the fact using lower temperatures and the possibility of carbonizing and chemically activating in one stage (always in an inert atmosphere) means shorter energy and processed savings. However, in addition to not claiming any of the foregoing, the inventor proposes a prophetic example ("Prophetic example") with preferred lignin / H 3 P0 4 impregnation ratios from 1 / 0.5 to 1/3, and conventional extrusion and / or melt extrusion as spinning techniques. That is, the inventor describes processes and effects and proposes impregnation relations (conventional and well studied) and other experimental conditions (traditional and best known methods for preparing fibers) that are easily deduced from the state of the art to obtain activated carbon fibers. prepared from natural precursors, trying to cover all the possible properties that one can think or imagine: materials with a pore size distribution from 2 to 100 nra or predominantly microporous, mesoporous or macroporous, and containing a wide variety of heteroatoms incorporated to the carbonaceous structure and at least one dispersed metal (Pt, Pd, Ni, Fe, Cr, Ti) over the entire structure of said fibers. In this sense, although the author also tries to talk about the electro-spinning process and the lignin and H 3 P0 4 , as preferred examples, the impregnation ratios that it proposes are exactly those that do not allow and disable the electrowinning and thermostabilization process (at least, based on the procedure proposed here and the knowledge of its inventors) . For this reason, the author probably does not provide any details of this synthesis procedure or its operating conditions. Any expert in the field would fail to try to deduce how to do it because he would test the conditions that, based on his knowledge, lead to observe the effects of chemical activation with H 3 P0 4 . On the other hand, it does not describe any novel effect of H P0 4 in the stages of stabilization or oxidation resistance (or anything related to controlled gasifications in the presence of 0 2 ) and, when it claims the functionalization of carbonaceous structures, it only talks about N and S and that it does it exclusively from heterocyclic molecules, which attracts a lot of attention due to the widely known incorporation of P in the activation processes with H 3 P0 4 ..
La participación del método de electrohilado en la preparación de fibras de carbono activadas ha sido menos explorada. Sakurai y col. han patentado unas fibras de carbón activado con poros comprendidos entre 0.1 y 200 nm y diámetro por debajo de 1000 nm, el método para fabricarlas y su aplicación en supercondensadores y pilas de combustible (EP1666649A1). Dicho método consta del electrohilado de fibras de PAN o el hilado por rundido (melt-extrusion) de breas de petróleo o mesofase con un agente plastificante, que es seguidamente eliminado, para obtener fibras con diámetros por debajo de 1000 nm, una etapa de estabilización en atmósfera oxidante, una etapa de carbonización y una etapa final de activación física con H20(v) o química con especies alcalinas. Aunque reivindica fibras de carbón activado con áreas superficiales específicas entre 100 y 50000 m2/g, el mayor área que reporta es de 2200 m2/g para unas fibras de 100 nm muy mesoporosas (43 % del vol. total poros) preparadas a partir de una mezcla PAN:KOH = 1 :5 (800 °C, 30 min). Por otro lado, con activación física con H20(v) (850 °C, 1 h) obtiene 1300 m2/g para una fibra de 100 nm y la mezcla Pitch:KOH = 1 :5 (800 °C, 30 min) obtiene 980 m2/g para una fibra de 200 nm. A pesar de posibilitar elevados grados de activación en fibras con diámetro tan pequeño, el método utiliza otros precursores y agentes plastificantes para (por eliminación durante el tratamiento térmico) reducir el tamaño de las fibras y, por otro lado, los procesos de activación son a posteriori (tras la etapa de electrohilado), permitiendo cantidades mucho mayores de agente activante, por lo que para obtener materiales con propiedades parecidas a los que aquí se reivindican no solo requieren de un mayor número de etapas sino también de un mayor consumo de reactivos (agentes plastificantes y activantes) que deben encarecer el proceso global. Además, puesto que los procesos de activación química y física que utilizan son distintos a los de la presente invención, los materiales presentan propiedades texturales (distribución de tamaño de poros) diferentes y no pueden aprovecharse de los efectos de estabilización o resistencia a la oxidación que aquí se reivindican. The participation of the electro-spinning method in the preparation of activated carbon fibers has been less explored. Sakurai et al. they have patented activated carbon fibers with pores between 0.1 and 200 nm and a diameter below 1000 nm, the method for manufacturing them and their application in supercapacitors and fuel cells (EP1666649A1). Said method consists of electro-spinning of PAN fibers or melt-extrusion of oil or mesophase with a plasticizing agent, which is then removed, to obtain fibers with diameters below 1000 nm, a stabilization stage in an oxidizing atmosphere, a carbonization stage and a final stage of physical activation with H 2 0 (v) or chemical with alkaline species. Although it claims activated carbon fibers with specific surface areas between 100 and 50,000 m 2 / g, the largest reporting area is 2200 m 2 / g for very mesoporous 100 nm fibers (43% of the total pore volume) prepared at from a PAN mixture: KOH = 1: 5 (800 ° C, 30 min). On the other hand, with physical activation with H 2 0 (v) (850 ° C, 1 h), it obtains 1300 m 2 / g for a 100 nm fiber and the Pitch mixture: KOH = 1: 5 (800 ° C, 30 min) obtains 980 m 2 / g for a 200 nm fiber. Despite allowing high degrees of activation in fibers with such a small diameter, the method uses other precursors and plasticizing agents to (by elimination during heat treatment) reduce the size of the fibers and, on the other hand, the activation processes are a posteriori (after the electrowinning stage), allowing much larger amounts of agent activator, so to obtain materials with properties similar to those claimed here, they not only require a greater number of stages but also a greater consumption of reagents (plasticizers and activators) that should make the overall process more expensive. In addition, since the chemical and physical activation processes they use are different from those of the present invention, the materials have different textural properties (pore size distribution) and cannot take advantage of the stabilization or oxidation resistance effects that Here they claim.
En otros trabajos (X. Xu, J. Zhou, L. Jiang, G. Lubineau, Y. Chen, X.-F. Wu, R. Piere Mater. Lett. 2013, 109, 175-178; N. Sasaki US 2012/0251925) se reporta la preparación de nanofibras de carbono porosas, con área superficial elevada, mediante electrospinning y formulaciones que contienen lignina y celulosa. En estos casos se adicionan otros polímeros facilitadores del electrohilado o como componentes principales (como el PAN) o especies inorgánicas (como metales de transición), pero de nuevo la lignina no se electrohila con ningún precursor químico (específico), con especies de fósforo que afecten las reacciones de oxidación que sufre el precursor durante su transformación térmica.  In other works (X. Xu, J. Zhou, L. Jiang, G. Lubineau, Y. Chen, X.-F. Wu, R. Piere Mater. Lett. 2013, 109, 175-178; N. Sasaki US 2012/0251925) the preparation of porous carbon nanofibers, with high surface area, is reported by electrospinning and formulations containing lignin and cellulose. In these cases other polymers facilitating the electro-spinning are added or as main components (such as PAN) or inorganic species (such as transition metals), but again lignin is not electro-spun with any chemical (specific) precursor, with phosphorus species that affect the oxidation reactions that the precursor undergoes during its thermal transformation.
Por otro lado, la introducción de un agente activante en la disolución precursora sometida a electrohilado ha sido estudiada recientemente. Principalmente, en estos trabajos, se ha estudiado la introducción de H3P04 para facilitar la grafitización y aumentar, por tanto, las propiedades mecánicas de las fibras (J.H Kim, B. Bajaj, S.J Yoon, S.H Kim, J.R Lee, Compos. Res. 2013, 26(3), 160-164) o para introducir grupos funcionales de fósforo (X. Yan, Y. Liu, X. Fan, X. Jia, Y. Yu, X. Yang, J. Power Sources 2014, 248(15) 745-751). Sin embargo, el potencial estabilizante y/o de resistencia a la oxidación de las especies de fósforo introducido directamente de forma homogénea en las fibras mediante el proceso de electrohilado no ha sido observado ni reportado en estos trabajos (ni en ninguno otro), probablemente por la enorme influencia del precursor carbonoso (por ejemplo, las propiedades de un polímero natural como la lignina, con un elevado contenido en oxígeno, son totalmente diferentes a las de uno sintético como el PAN). Finalmente, existen dos únicos trabajos que describe el electrohilado de lignina con un agente activante. En primer lugar se propuso la utilización de hidróxidos alcalinos (NaOH, KOH) como agente activante (S. Hu, Y.-L. Hsieh, J Mater. Chem. A 2013, 1, 11279-11288). Aunque se consigue desarrollar la porosidad en el material resultante, por un lado, la lignina que se utiliza en este trabajo es «modificada" y se requiere al menos un 10 % de polímero plastifícante (PEO) para poder llevar a cabo el proceso de electrohilado; y por otro lado, estos agentes activantes no mejoran el proceso de estabilización, no aumentan la resistencia a la oxidación (incluso la deben disminuir) y no se consiguen áreas superficiales por encima de los 1400 m2/g. El otro trabajo consiste en un resumen de una comunicación poster a un congreso (R. Berenguer, J. Rodríguez- Mirasol, T. Cordero UBIOCHEM (4th International Workshop of COAST Action CM0903, 14-16 Octubre 2013, Valencia (España)) que divulga un procedimiento de preparación de fibras de carbono mediante electrospinning de soluciones de lignina Alcell en etanol en presencia de H3PO4, seguido de sucesivas etapas de estabilización y carbonización (método convencional), en atmósfera oxidante e inerte, respectivamente, de las fibras de lignina obtenidas. El trabajo se centra en aprovechar el efecto conocido de la activación química con H3PO4 (en atmósfera inerte) para producir materiales con elevada superficie específica, exactamente lo que se reivindicaba en la patente de Baker antes mencionada (US 2007/0142225 Al), pero los autores no describen cómo lo hacen. De nuevo, ni este documento ni la patente de Baker describen las ideas clave del procedimiento que se solicita patentar como es simplificar la preparación de los materiales carbonosos con el tamaño y porosidad reivindicados, ni que la funcionalización con especies de fósforo afecte a las reacciones de oxidación que ocurren durante el tratamiento térmico de los precursores. Por otro lado, las fibras de carbono descritas en este documento no se ven afectadas por los efectos novedosos de la solicitud de la patente. Es decir, no sufren los procesos de estabilización "asistida" en diversas atmósferas ni carbonización en atmósfera oxidante (evitando la combustión total y permitiendo la gasificación parcial y, por tanto, la activación directa de los materiales), que confieren algunas propiedades exclusivas a los materiales carbonosos reivindicados en la solicitud de la patente, como son el mayor grado de control en la fusión parcial de las fibras, una mayor área superficial, una estructura microporosa con mayor contribución de mesoporos, o un mayor contenido en fósforo superficial que les confieren una elevada acidez y mayor resistencia a la oxidación química y electroquímica. Muy importante, tanto este documento como la patente de Baker, encaminados a producir el efecto conocido de activación química con H3PO4, suponen la utilización de unas condiciones experimentales de preparación que o bien imposibilitan el proceso de electrohilado y/o estabilización de las fibras o bien no permiten observar los efectos de promoción de la estabilización (tanto en atmósfera inerte como oxidante) o de resistencia a la gasificación total durante la carbonización a elevadas temperaturas en presencia de oxígeno, que se reivindican en esta patente. Es decir, solo la funcionalización uniforme y homogénea con especies de fósforo que se propone en la presente patente, a partir de unas proporciones de precursor carbonoso y precursor de especies de fósforo específicas (proporciones inferiores a las descritas en el estado de la técnica, y que según dicho estado de la técnica no producirían ningún efecto relevante, por lo que un experto en la materia no se vería proclive a tratar de ensayar) es la que permite resolver el problema técnico y simplificar y reducir el tiempo, el coste y las repercusiones medioambientales de la preparación de estos materiales. On the other hand, the introduction of an activating agent in the precursor solution subjected to electro-spinning has recently been studied. Mainly, in these works, the introduction of H 3 P0 4 has been studied to facilitate graffiti and therefore increase the mechanical properties of the fibers (JH Kim, B. Bajaj, SJ Yoon, SH Kim, JR Lee, Compos Res. 2013, 26 (3), 160-164) or to introduce functional phosphorus groups (X. Yan, Y. Liu, X. Fan, X. Jia, Y. Yu, X. Yang, J. Power Sources 2014, 248 (15) 745-751). However, the stabilizing and / or oxidation resistance potential of phosphorus species directly introduced homogeneously into the fibers through the electrowinning process has not been observed or reported in these works (or in any other), probably due to The enormous influence of the carbonaceous precursor (for example, the properties of a natural polymer such as lignin, with a high oxygen content, are totally different from those of a synthetic one such as PAN). Finally, there are only two works that describe lignin electro-spinning with an activating agent. First, the use of alkaline hydroxides (NaOH, KOH) was proposed as an activating agent (S. Hu, Y.-L. Hsieh, J Mater. Chem. A 2013, 1, 11279-11288). Although it is possible to develop the porosity in the resulting material, on the one hand, the lignin used in this work is " modified" and at least required 10% plasticizer polymer (PEO) to carry out the electrowinning process; and on the other hand, these activating agents do not improve the stabilization process, do not increase the resistance to oxidation (they should even decrease it) and surface areas above 1400 m 2 / g are not achieved. The other work consists of a summary of a poster communication to a congress (R. Berenguer, J. Rodríguez-Mirasol, T. Cordero UBIOCHEM (4th International Workshop of COAST Action CM0903, 14-16 October 2013, Valencia (Spain)) that discloses a process for preparing carbon fibers by electrospinning solutions of lignin Alcell in ethanol in the presence of H 3 PO 4 , followed by successive stages of stabilization and carbonization (conventional method), in oxidizing and inert atmosphere, respectively, of the fibers of lignin obtained.The work focuses on taking advantage of the known effect of chemical activation with H 3 PO 4 (in an inert atmosphere) to produce materials with a high specific surface area, exactly what was claimed in the above-mentioned Baker patent (US 2007 / 0142225 Al), but the authors do not describe how they do it. Again, neither this document nor Baker's patent describes the key ideas of the procedure requested for tempt how it is to simplify the preparation of the carbonaceous materials with the claimed size and porosity, nor that the functionalization with phosphorus species affects the oxidation reactions that occur during the heat treatment of the precursors. On the other hand, the carbon fibers described in this document are not affected by the novel effects of the patent application. That is to say, they do not suffer the processes of "assisted" stabilization in various atmospheres or carbonization in an oxidizing atmosphere (avoiding total combustion and allowing partial gasification and, therefore, the direct activation of the materials), which confer some exclusive properties to the carbonaceous materials claimed in the patent application, such as the greater degree of control in the partial fusion of the fibers, a greater surface area, a microporous structure with a greater contribution of mesopores, or a greater content in surface phosphorus that confer them a high acidity and greater resistance to chemical and electrochemical oxidation. Very important, both this document and Baker's patent, aimed at producing the known effect of chemical activation with H3PO4, involve the use of experimental preparation conditions that either impede the process of electro-spinning and / or fiber stabilization or they do not allow observing the effects of stabilization promotion (both in an inert and oxidizing atmosphere) or Total gasification resistance during carbonization at high temperatures in the presence of oxygen, which are claimed in this patent. That is, only the uniform and homogeneous functionalization with phosphorus species proposed in this patent, based on proportions of carbonaceous precursor and precursor of specific phosphorus species (proportions lower than those described in the prior art, and which according to this state of the art would not produce any relevant effect, so that an expert in the field would not be inclined to try to test) is the one that allows to solve the technical problem and simplify and reduce the time, cost and repercussions Environmental preparation of these materials.
La reactividad de diversos precursores y materiales carbonosos con oxígeno ha sido ampliamente estudiada en la bibliografía, principalmente para la introducción de grupos oxigenados o bien para estudiar y optimizar su resistencia a la oxidación. La oxidación mediante oxígeno (aire) es una reacción exotérmica cuya velocidad de reacción es difícil de controlar. Como resultado, y a diferencia de la activación física con C02 o vapor de agua, el oxígeno molecular (aire) consume los materiales carbonosos desde la parte externa, sin penetrar en el interior del material carbonoso y, por tanto, sin desarrollar significativamente o incluso disminuyendo su porosidad. No obstante, la activación mediante oxígeno (aire) puede llevarse a cabo a bajas temperaturas (normalmente a T<500 °C) o mediante etapas sucesivas de oxigenación-carbonización tras una etapa inicial de. No obstante, y a diferencia del efecto de la presente invención, en estas condiciones no se consiguen activaciones muy significativas y, a mayores/elevadas temperaturas, el resultado es un consumo rápido del material carbonoso, el cual es más acusado cuanto menor sea el tamaño/diámetro de partícula/fibra y/o al aumentar su superficie específica (su reactividad). The reactivity of various precursors and carbonaceous materials with oxygen has been extensively studied in the literature, mainly for the introduction of oxygenated groups or to study and optimize their oxidation resistance. Oxidation by oxygen (air) is an exothermic reaction whose reaction rate is difficult to control. As a result, and unlike physical activation with C0 2 or water vapor, molecular oxygen (air) consumes the carbonaceous materials from the outside, without penetrating into the carbonaceous material and, therefore, without significantly developing or even decreasing its porosity. However, activation by oxygen (air) can be carried out at low temperatures (usually at T <500 ° C) or by successive stages of oxygenation-carbonization after an initial stage of. However, and unlike the effect of the present invention, in these conditions very significant activations are not achieved and, at higher / higher temperatures, the result is a rapid consumption of the carbonaceous material, which is more pronounced the smaller the size / particle / fiber diameter and / or by increasing its specific surface area (its reactivity).
La preparación de fibras de carbono activadas con elevada resistencia a la oxidación tiene gran importancia para varias de sus aplicaciones, como la catálisis o la electroquímica. En este sentido, es ampliamente conocido que la presencia de grupos halogenados, de boro y de fósforo aumentan la resistencia frente a la oxidación de los materiales carbonosos (J.M. Rosas, R. Ruiz-Rosas, J. Rodríguez-Mirasol, T. Cordero. Carbón 2012, 50, 1523-1537) y han sido ampliamente utilizados como retardantes de llama (US3294489A). Así, algunos autores han propuesto/patentado algunas fibras de carbono con elevada resistencia a la oxidación y su método de preparación. Saito y col. reivindicaron la introducción conjunta de distintos compuestos de Zn y/o Ca (≥ 100 ppm) y P y/o B (> 50 ppm) en cualquier fase/etapa del proceso global de preparación de fibras de carbono a partir de fibras acrílicas, resultando en una elevada resistencia mecánica y a la oxidación, de forma que durante un tratamiento de 3 h a 500 °C, las fibras sufrían una disminución de la masa < 20 wt% (US4197279A). Sin embargo, la patente solo va dirigida para fibras acrílicas y no contempla las ventajas del método de electrohilado para introducir el agente directamente en materiales de reducidas dimensiones, ni el de permitir la gasificación controlada a elevadas temperaturas en atmósferas conteniendo 02. The preparation of activated carbon fibers with high oxidation resistance is of great importance for several of its applications, such as catalysis or electrochemistry. In this sense, it is widely known that the presence of halogenated, boron and phosphorus groups increase the resistance against oxidation of carbonaceous materials (JM Rosas, R. Ruiz-Rosas, J. Rodríguez-Mirasol, T. Cordero. Coal 2012, 50, 1523-1537) and have been widely used as flame retardants (US3294489A). Thus, some authors have proposed / patented some carbon fibers with high oxidation resistance and their method of preparation. Saito et al. claimed joint introduction of different compounds of Zn and / or Ca (≥ 100 ppm) and P and / or B (> 50 ppm) at any stage / stage of the global process of preparing carbon fibers from acrylic fibers, resulting in high mechanical and oxidation resistance, so that during a 3-ha treatment 500 ° C, the fibers suffered a decrease in mass <20 wt% (US4197279A). However, the patent is only directed to acrylic fibers and does not contemplate the advantages of the electrowinning method for introducing the agent directly into materials of reduced dimensions, nor that of allowing controlled gasification at elevated temperatures in atmospheres containing 0 2 .
Por otro lado, diversos autores han observado que la impregnación con H3P04 aumenta el rendimiento de carbonización y el grado de activación con C02 de fibras derivadas del Nomex. Fukuda y col. patentaron un proceso de preparación de fibras de carbón activado a partir de fibras de celulosa impregnadas con compuestos de fósforo (de 0.5 a 20 % wt.) que, tras un tratamiento térmico a 200-350 °C, eran sometidas a una etapa de activación entre 450-1000 °C en una atmósfera conteniendo al menos un 5 % de H20(v) hasta que la pérdida de masa estuviera entre 65 y 95 % (US3969268A). Estos autores proponen que el compuesto de fósforo favorece/promueve notablemente la activación con H20(v), acortando el tiempo requerido para la activación. Sin embargo, y como comentábamos, la introducción de este tipo de grupos de P no se ha aplicado/estudiado para permitir/mejorar/controlar el desarrollo de la porosidad de los materiales carbonosos en presencia de gases conteniendo 02, (menos aún, a elevadas temperaturas y tampoco directamente durante la etapa de carbonización). On the other hand, several authors have observed that impregnation with H 3 P0 4 increases the carbonization yield and the degree of activation with C0 2 of Nomex-derived fibers. Fukuda et al. patented a process of preparing activated carbon fibers from cellulose fibers impregnated with phosphorus compounds (0.5 to 20% wt.) which, after a heat treatment at 200-350 ° C, were subjected to an activation stage between 450-1000 ° C in an atmosphere containing at least 5% H 2 0 (v) until the mass loss was between 65 and 95% (US3969268A). These authors propose that the phosphorus compound significantly favors / promotes activation with H 2 0 (v), shortening the time required for activation. However, and as we mentioned, the introduction of this type of P groups has not been applied / studied to allow / improve / control the development of the porosity of carbonaceous materials in the presence of gases containing 0 2 , (even less, to high temperatures and not directly during the carbonization stage).
Como se puede observar a partir de esta extensa bibliografía, a pesar de las ventajas del método de electrohilado para la preparación de fibras de lignina u otros precursores poliméricos de origen natural con diámetros mucho menores a los obtenidos mediante otras técnicas, el proceso global hasta la obtención de los materiales fibrilares carbonosos todavía requiere una etapa de termoestabilización muy lenta (sin la ayuda de etapas adicionales de modificación y/o post-impregnación de algún estabilizante). Muy importante, la preparación convencional de estos materiales conlleva que la estabilización se realice muy lentamente en presencia de aire en un horno o estufa y la carbonización en atmósfera inerte en un horno que alcanza mayores temperaturas. As can be seen from this extensive bibliography, despite the advantages of the electro-spinning method for the preparation of lignin fibers or other polymeric precursors of natural origin with diameters much smaller than those obtained by other techniques, the overall process up to Obtaining carbonaceous fibrillar materials still requires a very slow thermostabilization stage (without the help of additional stages of modification and / or post-impregnation of some stabilizer). Very important, the conventional preparation of these materials means that stabilization is carried out very slowly in the presence of air in an oven or stove and carbonization in an inert atmosphere in an oven that reaches higher temperatures.
Cuando la etapa de estabilización finaliza, hay que evacuar totalmente la atmósfera oxidante con un gas inerte para poder carbonizarlo sin que se produzca la gasificación total (combustión) del material. Técnicamente esto supone un problema importante, pues hay que parar el proceso para cambiar/purgar la atmósfera durante un tiempo (sobre todo si no se enfría el horno) y/o llevar el material a otro horno con otra atmósfera. La posibilidad de llevar a cabo los dos procesos en la misma atmósfera y/o de facilitar el proceso de estabilización, entonces, reduciría enormemente el tiempo, coste, y complejidad de fabricación de materiales carbonosos con dimensiones micro y nanométricas. Por otro lado, los materiales obtenidos no muestran directamente las propiedades necesarias como para tener un valor añadido suficiente y/o comparable, por lo que necesitan de etapas adicionales de activación, gasificación y/o funcionalización que, además de ralentizar, aumentar el consumo de reactivos y complejidad y encarecer el proceso, pueden comprometer la estructura fibrilar. Además, independientemente del coste del proceso global, no existen materiales fibrilares carbonosos obtenidos a partir de lignina con propiedades únicas y/o con unas prestaciones superiores para una aplicación dada. Todas estas desventajas limitan su comercialización y aplicación a escala industrial. En consecuencia, la obtención de fibras y otras estructuras fibrilares carbonosas con propiedades avanzadas y, por tanto, de elevado valor añadido, a partir de lignina y/u otros recursos renovables mediante procesos más rápidos y sencillos/directos constituyen grandes desafíos que, de ser total o parcialmente superados/conseguidos, supondrían enormes beneficios medioambientales y una considerable reducción de los costes de su fabricación, favoreciendo o posibilitando su comercialización y aplicación a escala industrial. When the stabilization stage is finished, the oxidizing atmosphere must be completely evacuated with an inert gas to be able to carbonize it without producing total gasification (combustion) of the material. Technically this is an important problem, because the process must be stopped to change / purge the atmosphere for a while (especially if the oven does not cool) and / or take the material to another oven with another atmosphere. The possibility of carrying out the two processes in the same atmosphere and / or facilitating the stabilization process, then, would greatly reduce the time, cost, and complexity of manufacturing carbonaceous materials with micro and nanometric dimensions. On the other hand, the materials obtained do not directly show the necessary properties to have a sufficient and / or comparable added value, so they need additional stages of activation, gasification and / or functionalization that, in addition to slowing down, increase the consumption of reagents and complexity and make the process more expensive, can compromise the fibrillar structure. In addition, regardless of the cost of the overall process, there are no carbonaceous fibrillar materials obtained from lignin with unique properties and / or with superior performance for a given application. All these disadvantages limit its commercialization and application on an industrial scale. Consequently, obtaining fibers and other carbonaceous fibrillar structures with advanced properties and, therefore, of high added value, from lignin and / or other renewable resources through faster and simpler / direct processes constitute great challenges that, if totally or partially surpassed / achieved, would suppose enormous environmental benefits and a considerable reduction of the costs of its manufacture, favoring or making possible its commercialization and application on an industrial scale.
Por otro lado, independientemente del precursor y del proceso de activación utilizado para desarrollar sus propiedades texturales, la extensión y el grado de activación del material carbonoso fibrilar dependen en gran medida de su diámetro, de forma que para obtener áreas del orden de 2000-3000 m2/g se requieren normalmente fibras con diámetros suficientemente anchos (por encima de 5-10 mieras), además de elevadas cantidades de agente activante. En consecuencia, resulta muy complicado obtener fibras de carbón activado con diámetros comprendidos entre los cientos de nanómetros y 5 mieras y que al mismo tiempo muestren áreas superficiales por encima de los 1500 m2/g (hasta ahora, el único conocido por los autores de la presente invención es el mencionado anteriormente de Sakurai, que consigue fibras de 2200 m2/g a partir de fibras de PAN y su posterior activación con KOH). On the other hand, regardless of the precursor and the activation process used to develop its textural properties, the extent and degree of activation of the fibrillar carbonaceous material depend largely on its diameter, so that to obtain areas of the order of 2000-3000 m 2 / g fibers with sufficiently wide diameters (above 5-10 microns) are normally required, in addition to high amounts of activating agent. Consequently, it is very difficult to obtain activated carbon fibers with diameters between hundreds of nanometers and 5 microns and at the same time show surface areas above 1500 m 2 / g (so far, the only one known by the authors of The present invention is the one mentioned above by Sakurai, which achieves 2200 m 2 / g fibers from PAN fibers and its subsequent activation with KOH).
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención, que viene a dar respuesta y solución a los problemas señalados anteriormente y no resueltos en el estado de la técnica, se refiere a materiales fibrilares carbonosos de propiedades optimizadas, entre otros materiales fibrilares carbonosos con superficie específica y resistencia a la oxidación elevadas, a los procedimientos de obtención de dichas partículas o materiales de propiedades optimizadas, así como a aplicaciones de dichas partículas o materiales y/o de sus procedimientos de obtención. DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention, which comes to respond and solve the problems indicated above and not resolved in the state of the art, relates to carbonaceous fibrillar materials of optimized properties, among other carbonaceous fibrillar materials with high specific surface and oxidation resistance , to the procedures for obtaining said particles or materials of optimized properties, as well as to applications of said particles or materials and / or their obtaining procedures.
De este modo, un objeto de la presente invención se refiere a procedimientos de obtención de partículas y materiales carbonosos de propiedades optimizadas a partir de una mezcla de al menos un precursor carbonoso y al menos un agente químico.  Thus, an object of the present invention relates to processes for obtaining particles and carbonaceous materials of optimized properties from a mixture of at least one carbonaceous precursor and at least one chemical agent.
Un aspecto de dicho primer objeto de la invención se refiere que el precursor carbonoso es de origen natural, obtenido bien a partir de biomasa (por ejemplo, mediante pirólisis o licuefacción de compuestos orgánicos naturales) bien de origen vegetal (por ejemplo, resinas, ligninas, etc.) bien de origen fósil (por ejemplo breas, PAN, etc.). En una realización de dicho objeto de la invención el precursor carbonoso es tipo lignina, brea o resina. En una realización de dicho objeto de la invención el precursor carbonoso es tipo lignina Alcell (esto es, extraída mediante el método Alcell), si bien puede ser lignina extraída por otros métodos distintos de Alcell que emplean disolventes orgánicos apropiados, tales como alcoholes, ácidos orgánicos (por ejemplo, ácido fórmico, ácido acético, etc.), fenol, cresoles, acetato de etilo, aminas y su óxidos, cetonas, dioxano, o DMSO.  One aspect of said first object of the invention relates that the carbonaceous precursor is of natural origin, obtained either from biomass (for example, by pyrolysis or liquefaction of natural organic compounds) or from plant origin (for example, resins, lignins , etc.) of fossil origin (for example, breas, PAN, etc.). In an embodiment of said object of the invention the carbonaceous precursor is lignin, pitch or resin. In one embodiment of said object of the invention the carbonaceous precursor is Alcell lignin type (that is, extracted by the Alcell method), although it can be lignin extracted by methods other than Alcell that employ appropriate organic solvents, such as alcohols, acids organic (for example, formic acid, acetic acid, etc.), phenol, cresols, ethyl acetate, amines and their oxides, ketones, dioxane, or DMSO.
Un aspecto de dicho primer objeto de la invención se refiere que el precursor carbonoso es sintético, como por ejemplo PBO, nylon, kevlar, etc.  One aspect of said first object of the invention relates that the carbonaceous precursor is synthetic, such as PBO, nylon, kevlar, etc.
Un aspecto de dicho objeto de la invención se refiere a que la mezcla comprende un solo tipo de precursor carbonoso, por ejemplo sólo tipo lignina, sólo tipo resina, sólo tipo brea, si bien puede comprender, por ejemplo, varios tipos de ligninas o varios tipos de resinas o varios tipos de breas. En una realización de dicho aspecto de la invención, la mezcla comprende más de un tipo de precursor carbonoso, esto es, por ejemplo, una mezcla de precursores tipo lignina y/o precursores tipo resina y/o precursores tipo brea, si bien puede comprender a su vez, por ejemplo, varios tipos de ligninas y/o varios tipos de resinas y/o varios tipos de breas.  One aspect of said object of the invention refers to the mixture comprising a single type of carbonaceous precursor, for example only lignin type, only resin type, only pitch type, although it can comprise, for example, several types of lignins or several types of resins or several types of breas. In one embodiment of said aspect of the invention, the mixture comprises more than one type of carbonaceous precursor, that is, for example, a mixture of lignin precursors and / or resin precursors and / or pitch precursors, although it may comprise in turn, for example, various types of lignins and / or various types of resins and / or various types of breasts.
Un aspecto de dicho primer objeto de la invención se refiere a que el agente químico permite acelerar y/u optimizar la etapa de estabilización. En una realización de dicho aspecto de la invención el agente químico es un ácido o una base inorgánicas con carácter deshidratante como el ácido fosfórico y derivados, ácido sulfúrico, ácido hidroclórico, ácido nítrico, ácido metano sulfónico, ácido sulfónico aromático, ácidos carboxílicos y alcoholes, etc., así como sus correspondientes sales o ésteres. Acelerar la etapa de estabilización de las estructuras fibrilares en condiciones inertes u oxidativas, previa a su etapa de carbonización, permite evitar la fusión/colapso de la estructura fibrilar, y por otro lado, controlar el grado de ensanchamiento y/o la interconexión por fusión de las estructuras fibrilares para dar lugar a entramados tridimensionales, mediante el control de las condiciones experimentales de dicho proceso de estabilización, tales como velocidad de calentamiento (principalmente), la temperatura y tiempo de estabilización, la concentración de aire, etc. Ejemplos de tales especies químicas son H3PO4, ... One aspect of said first object of the invention relates to the fact that the chemical agent allows to accelerate and / or optimize the stabilization stage. In an embodiment of said aspect of the invention the chemical agent is an inorganic acid or base with a dehydrating character such as phosphoric acid and derivatives, sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, methane sulfonic acid, aromatic sulfonic acid, carboxylic acids and alcohols, etc., as well as their corresponding salts or esters. Accelerating the stabilization stage of the fibrillar structures in inert or oxidative conditions, prior to their carbonization stage, allows to avoid the fusion / collapse of the fibrillar structure, and on the other hand, control the degree of widening and / or fusion interconnection of the fibrillar structures to give rise to three-dimensional frameworks, by controlling the experimental conditions of said stabilization process, such as heating rate (mainly), temperature and stabilization time, air concentration, etc. Examples of such chemical species are H3PO4, ...
Un aspecto de dicho primer objeto de la invención se refiere a que el agente químico permite inducir, acelerar y/u optimizar el proceso de activación química directa durante la etapa de carbonización, y con ello permite modular y optimizar sus propiedades texturales, estructurales y/o químicas. En una realización de dicho aspecto de la invención el agente químico es un ácido inorgánico como el fosfórico y sus derivados (por ejemplo, metafosfórico, pirofosfórico, fosforoso, fosfónico, fosfonoso, fosfínico, fosfinoso), el sulfúrico, el nítrico, o sus sales.  One aspect of said first object of the invention relates to the fact that the chemical agent allows to induce, accelerate and / or optimize the process of direct chemical activation during the carbonization stage, and thereby allows to modulate and optimize its textural, structural and / or properties. or chemical In one embodiment of said aspect of the invention the chemical agent is an inorganic acid such as phosphoric and its derivatives (for example, metaphosphoric, pyrophosphoric, phosphorous, phosphonic, phosphonous, phosphine, phosphine), sulfuric acid, nitric acid, or salts thereof. .
Un aspecto de dicho primer objeto de la invención se refiere a que el agente químico permite aumentar la resistencia a la oxidación y/o permitir un proceso gasificación parcial durante o tras la etapa de carbonización, para modular y optimizar sus propiedades texturales, estructurales y/o químicas. En una realización de dicho aspecto de la invención el agente químico es un compuesto que comprende fósforo (ácidos fosfórico, metafosfórico, pirofosfórico, fosforoso, fosfónico, fosfonoso, fosfínico, fosfinoso o sus sales, polifosfatos, polifosfonatos o sales de fosfonio, fosfinas y óxidos de fosfina) o boro (ácido bórico, óxido bórico, bórax, metaborato sódico, tetraborato sódico, metaborato de litio, pentaborato de litio, tetraborato de litio, metaborato potásico, tetraborato potásico). Otros compuestos que comprenden (y pueden introducir) fósforo serían triamida fosforotioica, triamida fosfórica, triamida Ν,Ν',Ν''-trimetilfosfórica, diamida (clorometil)fosfonotiónica, trimetil fosfato, trietil fosfato, dietil metilfosforamidato, dietil etilfosforamidato, dietil isopropilfosforamidato, diamida metilfosfónica, y mezclas de ellos (encontrados en algunas patentes para aumentar el efecto retardante de llama) One aspect of said first object of the invention relates to the fact that the chemical agent increases oxidation resistance and / or allows a partial gasification process during or after the carbonization stage, to modulate and optimize its textural, structural and / or properties. or chemical In one embodiment of said aspect of the invention the chemical agent is a compound comprising phosphorus (phosphoric, metaphosphoric, pyrophosphoric, phosphorous, phosphonic, phosphonous, phosphonic, phosphine or its salts, polyphosphates, polyphosphonates or phosphonium salts, phosphines and oxides salts phosphine) or boron (boric acid, boric oxide, borax, sodium metaborate, sodium tetraborate, lithium metaborate, lithium pentaborate, lithium tetraborate, potassium metaborate, potassium tetraborate). Other compounds that comprise (and can introduce) phosphorus would be phosphorothioic triamide, phosphoric triamide, triamide Ν, Ν ', Ν''- trimethylphosphoric, diamide (chloromethyl) phosphonotionic, trimethyl phosphate, triethyl phosphate, diethyl methylphosphoramidate, diethyl ethyl phosphoramidate, diethyl diamide methylphosphonic, and mixtures thereof (found in some patents to increase the flame retardant effect)
Figure imgf000017_0001
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— — R'  - - R '
G = -OR, i.  G = -OR, i.
L = radicales alquilo (1 a 4 át. de C), radicales alquilo halogenados (1 a 4 át. de C) z= o, s  L = alkyl radicals (1 to 4 at. Of C), halogenated alkyl radicals (1 to 4 at. Of C) z = o, s
Un aspecto de dicho primer objeto de la invención se refiere a que la mezcla comprende un solo tipo de precursor carbonoso y un solo tipo de agente químico. En una realización de dicho aspecto de la invención la mezcla comprende más de un tipo de precursor carbonoso y un solo tipo de agente químico. En una realización de dicho aspecto de la invención la mezcla comprende un solo tipo de precursor carbonoso y más de un tipo de agente químico. En una realización de dicho aspecto de la invención la mezcla comprende más de un tipo de precursor carbonoso y más de un tipo de agente químico. One aspect of said first object of the invention refers to the mixture comprising a single type of carbonaceous precursor and a single type of chemical agent. In one embodiment of said aspect of the invention the mixture comprises more than one type of carbonaceous precursor and a single type of chemical agent. In one embodiment of said aspect of the invention the mixture comprises a single type of carbonaceous precursor and more than one type of chemical agent. In one embodiment of said aspect of the invention the mixture comprises more than one type of carbonaceous precursor and more than one type of chemical agent.
Un aspecto de dicho primer objeto de la invención se refiere a una mezcla de lignina (Alcell) y H3P04, consistente en la disolución de mezclas lignina/H3P04 en un disolvente apropiado, en este caso etanol, donde la proporción de lignina en la mezcla varía entre un 25% a un 99% en masa de la masa de H3P04, donde la proporción de lignina en la disolución varía entre un 10% y un 90% en masa de la masa de disolvente; donde la disolución así obtenida se agita y calienta al mismo tiempo, a volumen constante durante un tiempo suficiente para disolver los posibles aglomerados de precursor carbonoso y agente químico existentes y distribuirlos homogéneamente en la mezcla (como mínimo 2 h y preferentemente 5 h). Un aspecto de dicho primer objeto de la invención se refiere a una mezcla lignina/H3PC>4, donde la lignina es extraída por otros métodos distintos de Alcell, que emplean disolventes orgánicos como alcoholes, ácidos orgánicos (ácido fórmico, acético), fenol, cresoles, acetato de etilo, aminas y sus óxidos, cetonas, dioxano y DMSO entre otros, en disolventes apropiados para la fabricación a temperatura ambiente de fibras de lignina, como pueden ser etanol, propanol, acetona, H20, etc. One aspect of said first object of the invention relates to a mixture of lignin (Alcell) and H 3 P0 4 , consisting of the dissolution of lignin / H 3 P0 4 mixtures in an appropriate solvent, in this case ethanol, where the proportion of lignin in the mixture varies between 25% to 99% by mass of the mass of H 3 P0 4 , where the proportion of lignin in the solution varies between 10% and 90% by mass of the solvent mass; where the solution thus obtained is stirred and heated at the same time, at a constant volume for a sufficient time to dissolve the possible carbonaceous precursor agglomerates and chemical agent and distribute them homogeneously in the mixture (at least 2 h and preferably 5 h). One aspect of said first object of the invention relates to a lignin / H3PC> 4 mixture, where lignin is extracted by methods other than Alcell, which use organic solvents such as alcohols, organic acids (formic acid, acetic acid), phenol, cresols, ethyl acetate, amines and their oxides, ketones, dioxane and DMSO among others, in solvents suitable for manufacturing at ambient temperature lignin fibers, such as ethanol, propanol, acetone, H 2 0, etc.
Un segundo objeto de la invención se refiere a que el procedimiento de obtención de partículas y materiales carbonosos de propiedades optimizadas comprende bien el electroesprayado de la mezcla de al menos un precursor carbonoso y al menos un agente químico (para la obtención de partículas carbonosas) bien el electrohilado de dicha mezcla (para la obtención de materiales carbonosos, particularmente materiales fibrilares carbonosos). En una realización de dicho aspecto de la invención el electroesprayado o el electrohilado se realiza a temperatura ambiente. Una realización de dicho aspecto de la invención comprende opcionalmente la adición de polímeros facilitadores del electroesprayado o del electrohilado.  A second object of the invention relates to the fact that the process for obtaining particles and carbonaceous materials of optimized properties comprises either the electro-spray of the mixture of at least one carbonaceous precursor and at least one chemical agent (for obtaining carbonaceous particles) either electro-spinning of said mixture (for obtaining carbonaceous materials, particularly carbonaceous fibrillar materials). In an embodiment of said aspect of the invention the electrospray or the electrowinning is carried out at room temperature. An embodiment of said aspect of the invention optionally comprises the addition of electrospray or electro-spin facilitating polymers.
Un aspecto de dicho primer objeto de la invención se refiere a que el procedimiento de obtención de partículas y materiales carbonosos de propiedades optimizadas comprende, teniendo como punto de partida el producto del electroesprayado o del electrohilado de la mezcla de al menos un precursor carbonoso y al menos un agente químico, una etapa de calentamiento utilizando una única atmósfera comprendiendo los procesos de estabilización, activación química y carbonización. En una realización de dicho aspecto la atmósfera sería una atmósfera inerte (N2). En otra realización de dicho aspecto la atmósfera sería una atmósfera oxidante (mezclas N2/02 con hasta un 5 % en 02). En una realización de dicho aspecto de la invención en una atmósfera oxidante (mezclas N2/02 con hasta un 5 % en 02) el procedimiento comprendería, además de los procesos de estabilización, activación química y carbonización, un proceso de gasificación parcial. One aspect of said first object of the invention relates to the fact that the process for obtaining particles and carbonaceous materials of optimized properties comprises, having as a starting point the product of the electrospray or the electrowinning of the mixture of at least one carbonaceous precursor and the less a chemical agent, a heating stage using a single atmosphere comprising the processes of stabilization, chemical activation and carbonization. In one embodiment of said aspect the atmosphere would be an inert atmosphere (N 2 ). In another embodiment of this aspect the atmosphere would be an oxidizing atmosphere (N 2 mixtures / 0 2 with up to 5% 0 2). In one embodiment of this aspect of the invention in an oxidizing atmosphere (mixtures N 2/0 2 with up to 5% 0 2) the method further process stabilization, chemical activation and carbonization, comprise a process of partial gasification .
Otro aspecto de dicho primer objeto de la invención se refiere a que el procedimiento de obtención de partículas y materiales carbonosos de propiedades optimizadas comprende, teniendo como punto de partida el producto del electroesprayado o del electrohilado de la mezcla de al menos un precursor carbonoso y al menos un agente químico, una etapa de estabilización y una etapa de carbonización. En una realización de dicho aspecto de la invención, dichas etapas de estabilización y de carbonización se realizan en atmósferas diferentes. En una realización de dicho aspecto de la invención, la etapa de estabilización se realiza en una atmósfera oxidante (aire o cualquier mezcla N2/02), y la etapa de carbonización, que comprende un proceso previo de activación química, se realiza en una atmósfera inerte (N2). En una realización de dicho aspecto de la invención, la etapa de estabilización se realiza en una atmósfera inerte (N2), y la etapa de carbonización, comprendiendo proceso previo de activación química y un proceso posterior de gasificación parcial, se realiza en una atmósfera oxidante (mezclas N2/0 con hasta un 5 % en 02). En una realización de dicho aspecto de la invención, la etapa de estabilización se realiza en una atmósfera oxidante (aire o cualquier mezcla N2/02), y la etapa de carbonización, comprendiendo un proceso previo de activación química, en una atmósfera oxidante diferente a la empleada para la etapa de estabilización (esto es, cualquier mezcla N2/02 diferente a la empleada para la etapa de estabilización). Another aspect of said first object of the invention relates to the fact that the process for obtaining particles and carbonaceous materials of optimized properties comprises, having as a starting point the product of the electrospray or the electrowinning of the mixture of at least one carbonaceous precursor and the less a chemical agent, a stabilization stage and a carbonization stage. In an embodiment of said aspect of the invention, said stabilization and Carbonization are performed in different atmospheres. In one embodiment of this aspect of the invention, the stabilization step is performed in an oxidizing atmosphere (air or any mixture N 2/0 2), and the carbonization step, which comprises a prior chemical activation process, is performed in an inert atmosphere (N 2 ). In one embodiment of said aspect of the invention, the stabilization stage is carried out in an inert atmosphere (N 2 ), and the carbonization stage, comprising a prior chemical activation process and a subsequent partial gasification process, is performed in an atmosphere. oxidant (mixture N 2/0 up to 5% 0 2). In one embodiment of this aspect of the invention, the stabilization step is performed in an oxidizing atmosphere (air or any mixture N 2/0 2), and the carbonization step, comprising a prior chemical activation process, in an oxidizing atmosphere different from that used for the stabilization step (i.e., any mixture N 2/0 2 different from that used for the stabilization step).
Otro aspecto de dicho primer objeto de la invención se refiere a que el procedimiento de obtención de partículas y materiales carbonosos de propiedades optimizadas comprende, teniendo como punto de partida el producto del electroesprayado o del electrohilado de la mezcla de al menos un precursor carbonoso y al menos un agente químico, una etapa de estabilización-carbonización y una etapa de gasificación parcial posterior. En una realización de dicho aspecto de la invención, dichas etapas de estabilización-carbonización y de gasificación parcial se realizan en atmósferas diferentes. En una realización de dicho aspecto de la invención, la etapa de estabilización-carbonización se realiza en una atmósfera inerte (N2), y la etapa de gasificación parcial se realiza en una atmósfera oxidante (mezclas N2/02 con hasta un 5 % en 02). En una realización de dicho aspecto de la invención, las etapas de estabilización-carbonización y la etapa de gasificación parcial se realizan en una atmósfera oxidante (mezclas N2/02 con hasta un 5 % en 02). Another aspect of said first object of the invention relates to the fact that the process for obtaining particles and carbonaceous materials of optimized properties comprises, having as a starting point the product of the electrospray or the electrowinning of the mixture of at least one carbonaceous precursor and the less a chemical agent, a stabilization-carbonization stage and a subsequent partial gasification stage. In an embodiment of said aspect of the invention, said stabilization-carbonization and partial gasification steps are performed in different atmospheres. In one embodiment of this aspect of the invention, the stabilization step-carbonization is performed in an inert atmosphere (N 2), and the step of partial gasification is performed in an oxidizing atmosphere (mixtures N 2/0 2 to 5 % in 0 2 ). In one embodiment of this aspect of the invention, the steps of stabilization and carbonization-stage partial gasification is performed in an oxidizing atmosphere (N 2 mixtures / 0 2 with up to 5% 0 2).
Otro aspecto de dicho primer objeto de la invención se refiere a que el procedimiento de obtención de partículas y materiales carbonosos de propiedades optimizadas comprende, teniendo como punto de partida el producto del electroesprayado o del electrohilado de la mezcla de al menos un precursor carbonoso y al menos un agente químico, tres etapas sucesivas, de estabilización, carbonización y gasificación parcial. En una realización de dicho aspecto de la invención, dichas etapas se realizan en atmósferas diferentes. En una realización de dicho aspecto de la invención, la etapa de estabilización se realiza en una atmósfera oxidante (aire o cualquier mezcla N2/O2); la etapa de carbonización, comprendiendo una etapa previa de activación química, se realiza en una atmósfera inerte (N2); y la etapa de gasificación parcial se realiza en una atmósfera oxidante (mezclas N2/O2 con hasta un 5 % en 02). Another aspect of said first object of the invention relates to the fact that the process for obtaining particles and carbonaceous materials of optimized properties comprises, having as a starting point the product of the electrospray or the electrowinning of the mixture of at least one carbonaceous precursor and the less a chemical agent, three successive stages of stabilization, carbonization and partial gasification. In an embodiment of said aspect of the invention, said steps are performed in different atmospheres. In an embodiment of said aspect of the invention, the stabilization stage is performed in an oxidizing atmosphere (air or any N2 / O2 mixture); the carbonization stage, comprising a previous stage of chemical activation, is carried out in an inert atmosphere (N 2 ); and the partial gasification stage is carried out in an oxidizing atmosphere (N2 / O2 mixtures with up to 5% in 0 2 ).
En una realización de dicho primer objeto, previo a, en su caso, una etapa de gasificación parcial, se dejan enfriar a temperatura ambiente las partículas o el material fruto de etapas previas a iniciar un nuevo proceso de calentamiento para la realización de dicha etapa de gasificación parcial.  In an embodiment of said first object, prior to, where appropriate, a stage of partial gasification, the particles or the fruit resulting from stages prior to initiating a new heating process are allowed to cool for the realization of said stage of partial gasification
Otro aspecto de dicho primer objeto de la invención se refiere al uso de un dispositivo, similar al descrito en ES2326455A1, de forma que la mezcla de al menos un precursor carbonoso y al menos un agente químico, debidamente disuelta mediante un disolvente oportuno, se fuerza a través de un tubo capilar localizado en el interior de otro tubo capilar concéntrico con él; donde un disolvente apropiado se fuerza a través del espacio anular existente entre ambos tubos; donde al aplicar una diferencia de potencial entre los tubos capilares (conectados al mismo potencial) y un electrodo de referencia se forma un menisco electrificado consistente en el menisco cónico de la disolución precursora y una capa de disolvente que lo rodea; donde aguas abajo del menisco electrificado se forma un chorro coaxial consistente en el chorro de la disolución rodeado por la capa de disolvente; donde la distancia entre el extremo del capilar interior y el electrodo de referencia varía entre 1 mm y 1 m; donde la diferencia de potencial aplicado entre ambos electrodos varía entre IV y 100 kV; donde los caudales de la disolución y el disolvente que circulan por los capilares están comprendidos entre 0.001 ml/h y 10000 ml/h; donde el diámetro del chorro coaxial está comprendido entre 900 mieras y 5 nanómetros.  Another aspect of said first object of the invention relates to the use of a device, similar to that described in ES2326455A1, so that the mixture of at least one carbonaceous precursor and at least one chemical agent, duly dissolved by means of a suitable solvent, is forced through a capillary tube located inside another capillary tube concentric with it; where an appropriate solvent is forced through the annular space between the two tubes; where, when applying a potential difference between the capillary tubes (connected to the same potential) and a reference electrode, an electrified meniscus is formed consisting of the conical meniscus of the precursor solution and a surrounding solvent layer; where downstream of the electrified meniscus a coaxial jet is formed consisting of the jet of the solution surrounded by the solvent layer; where the distance between the end of the inner capillary and the reference electrode varies between 1 mm and 1 m; where the potential difference applied between both electrodes varies between IV and 100 kV; where the flow rates of the solution and the solvent circulating in the capillaries are between 0.001 ml / h and 10000 ml / h; where the diameter of the coaxial jet is between 900 microns and 5 nanometers.
Otro aspecto de dicho primer objeto de la invención se refiere al uso de un dispositivo, similar al descrito en ES2326455A1, de forma que la mezcla de al menos un precursor carbonoso y al menos un agente químico, debidamente disuelta mediante un disolvente oportuno, se fuerza a través del espacio anular intermedio que dejan tres tubos capilares situados de modo concéntrico; donde por el tubo más interior se fuerza un líquido inerte, que no cambia de fase durante el proceso; donde un disolvente volátil, apropiado, se fuerza a través del espacio anular existente entre los dos tubos más exteriores; donde al aplicar una diferencia de potencial entre los tubos capilares (conectados al mismo potencial) y un electrodo de referencia se forma un menisco electrificado con una estructura en la que el menisco cónico de la disolución precursora está rodeado por una capa de disolvente y contiene en su interior el menisco de líquido inerte; donde los chorros que emanan de los vértices de los meniscos dan lugar a un chorro coaxial de tres líquidos en los que la disolución precursora rodea al líquido inerte y es a su vez rodeada por una capa de disolvente; donde la distancia entre el extremo del capilar interior y el electrodo de referencia varía entre 1 mm y 1 m; donde la diferencia de potencial aplicado entre ambos electrodos varía entre IV y 100 kV; donde los caudales de la disolución y el disolvente que circulan por los capilares están comprendidos entre 0.001 ml/h y 10000 ml/h; donde el diámetro del chorro coaxial está comprendido entre 900 mieras y 5 nanómetros. Another aspect of said first object of the invention relates to the use of a device, similar to that described in ES2326455A1, so that the mixture of at least one carbonaceous precursor and at least one chemical agent, duly dissolved by means of a suitable solvent, is forced through the intermediate annular space left by three capillary tubes located concentrically; where an inert liquid is forced through the innermost tube, which does not change phase during the process; where an appropriate volatile solvent is forced through the annular space between the two outermost tubes; where when applying a potential difference between the capillary tubes (connected to the same potential) and a reference electrode a meniscus is formed electrified with a structure in which the conical meniscus of the precursor solution is surrounded by a solvent layer and contains inside it the meniscus of inert liquid; where the jets emanating from the vertices of the menisci give rise to a coaxial jet of three liquids in which the precursor solution surrounds the inert liquid and is in turn surrounded by a solvent layer; where the distance between the end of the inner capillary and the reference electrode varies between 1 mm and 1 m; where the potential difference applied between both electrodes varies between IV and 100 kV; where the flow rates of the solution and the solvent circulating in the capillaries are between 0.001 ml / h and 10000 ml / h; where the diameter of the coaxial jet is between 900 microns and 5 nanometers.
Otro aspecto de dicho primer objeto de la invención se refiere al uso de un dispositivo, similar al descrito en ES2326455A1, donde el líquido inerte se sustituye por otro (polímero, sol-gel, etc.) capaz de solidificar, de modo que se obtengan fibras coaxiales formadas por un material polímero o cerámico rodeado por una capa de lignina.  Another aspect of said first object of the invention relates to the use of a device, similar to that described in ES2326455A1, where the inert liquid is replaced by another (polymer, sol-gel, etc.) capable of solidifying, so as to obtain Coaxial fibers formed by a polymeric or ceramic material surrounded by a lignin layer.
Un segundo objeto de la presente invención se refiere a partículas y materiales carbonosos de propiedades optimizadas obtenidos mediante cualquiera de las variantes del procedimiento, y a partir de cualquiera de las variantes (precursores, especies químicas, mezcla de los mismos), que constituyen el primer objeto de la invención. Una realización de este aspecto de la invención se refiere a materiales fibrilares carbonosos, particularmente materiales fibrilares carbonosos porosos. Los materiales fibrilares pueden tener un grado de ensanchamiento y/o mostrar un grado de interconexión determinado mediante el control de las condiciones experimentales del proceso de estabilización, tales como velocidad de calentamiento (principalmente), la temperatura y tiempo de estabilización, la concentración de aire, etc. Los materiales fibrilares pueden ser rígidos, huecos o coaxiales. Los materiales fibrilares pueden ser lineales o ramificadas y/o con áreas superficiales específicas entre 100 y 4000 m2/g, principalmente microporosas o mesoporosas o con una determinada distribución de microporos y mesoporos, con contenidos en O de hasta 30 % y de P de hasta 15 %, y una elevada resistencia a la oxidación térmica (hasta 600 °C) y electroquímica (hasta 1.6 V frente a un electrodo de referencia Ag/AgCl/Cl-(sat.) en una disolución de H2SO4) Una realización de este aspecto de la invención se refiere a nanopartículas. Una realización de este aspecto de la invención se refiere a submicropartículas. Una realización de este aspecto de la invención se refiere a micropartículas. A second object of the present invention relates to particles and carbonaceous materials of optimized properties obtained by any of the variants of the process, and from any of the variants (precursors, chemical species, mixture thereof), which constitute the first object of the invention. An embodiment of this aspect of the invention relates to carbonaceous fibrillar materials, particularly porous carbonaceous fibrillary materials. Fibrillar materials can have a degree of widening and / or show a degree of interconnection determined by controlling the experimental conditions of the stabilization process, such as heating rate (mainly), temperature and stabilization time, air concentration , etc. Fibrillar materials can be rigid, hollow or coaxial. Fibrillar materials can be linear or branched and / or with specific surface areas between 100 and 4000 m 2 / g, mainly microporous or mesoporous or with a certain distribution of micropores and mesopores, with O contents of up to 30% and P of up to 15%, and a high resistance to thermal oxidation (up to 600 ° C) and electrochemical (up to 1.6 V against a reference electrode Ag / AgCl / Cl- (sat.) in a solution of H 2 SO 4 ) An embodiment of this aspect of the invention relates to nanoparticles. An embodiment of this aspect of the invention relates to submicroparticles. An embodiment of this aspect of the invention relates to microparticles.
Un tercer objeto de la presente invención se refiere a la aplicación de dichas partículas y materiales que constituyen el segundo objeto de la presente invención, por ejemplo como adsorbentes, catalizadores, soporte de catalizadores y/o electrodos en supercondensadores, baterías, pilas de combustible, sensores y/u otras aplicaciones electroquímicas.  A third object of the present invention relates to the application of said particles and materials that constitute the second object of the present invention, for example as adsorbents, catalysts, catalyst support and / or electrodes in supercapacitors, batteries, fuel cells, sensors and / or other electrochemical applications.
Conforme a la descripción general anterior, la invención se refiere, entre otros, a un procedimiento en el que se electrohila mezclas de precursores carbonosos con especies químicas, como el H3P04, las cuales, una vez dispersas homogéneamente en el material compuesto electrohilado, presentan propiedades adecuadas para acelerar, simplificar y/o mejorar las diversas etapas de conversión de los precursores electrohilados en sus correspondientes productos carbonizados (estabilización, carbonización, activación química y/o física (gasificación)). De esta forma, mediante el nuevo procedimiento que aquí se reivindica no sólo se acelera o simplifica, reduciendo el consumo de reactivo activante y/o el número de etapas, el proceso global de fabricación de estructuras fibrilares carbonosas, sino que también, se obtienen materiales fibrilares carbonosos con propiedades avanzadas y/o únicas (en su conjunto). In accordance with the above general description, the invention relates, among others, to a process in which mixtures of carbonaceous precursors with chemical species, such as H 3 P0 4 , are electrowelled, which, once homogeneously dispersed in the electro-spun composite , have adequate properties to accelerate, simplify and / or improve the various stages of conversion of electro-spun precursors into their corresponding carbonized products (stabilization, carbonization, chemical and / or physical activation (gasification)). Thus, by means of the new procedure claimed here, it is not only accelerated or simplified, reducing the consumption of activating reagent and / or the number of stages, the global manufacturing process of carbonaceous fibrillar structures, but also, materials are obtained carbonaceous fibrils with advanced and / or unique properties (as a whole).
El electrohilado de mezclas precursor/especie-química se lleva a cabo a temperatura ambiente y sin aditivos poliméricos, utilizando un dispositivo coaxial similar al reivindicado en una invención previa (ES2326455B2). No obstante, tanto las propiedades de la mezcla precursora como del material compuesto electrohilado y/o finalmente carbonizado, así como las condiciones experimentales del proceso de electrohilado y las etapas térmicas posteriores, son totalmente novedosas y únicas. Debido a la presencia de especies químicas, que aumentan la concentración y normalmente con propiedades ácido-base, redox, etc., las disoluciones mezcla presentan viscosidades y conductividades relativamente elevadas que requieren un control preciso de las condiciones de operación (caudales y voltajes relativamente elevados) para permitir un proceso de electrohilado que, por tanto, queda limitarlo exclusivamente a mezclas con bajas proporciones de dichas especies químicas (desde un 1% de la cantidad del precursor carbonoso y hasta 60 ó 70%, normalmente hasta alrededor de un 50 % de la cantidad del precursor carbonoso). En el procedimiento que aquí se reivindica, el electrohilado produce materiales fibrilares compuestos de dimensiones muy pequeñas (diámetros hasta 5 μπι) y, encontrándose homogéneamente mezcladas con los precursores carbonosos, las especies químicas producen directamente 3 efectos en el proceso de conversión de los precursores poliméricos hilados en sus correspondientes estructuras carbonosas finales: (i) permiten acelerar (hasta 50 veces) y/u optimizar (permitiendo una mayor variedad de condiciones y/o reduciendo la temperatura) la etapa de estabilización evitando totalmente o mejorando el control de la fusión/hinchamiento parcial de dichas estructuras; y/o (ii) permiten activar químicamente dichas estructuras directamente durante la etapa de carbonización a diferentes temperaturas (450-1100 °C, preferentemente 500-1000 °C); y (iii) aumentando su resistencia a la oxidación, permite gasificar parcialmente y de forma controlada a elevadas temperaturas ((450-1100 °C, preferentemente 500-1000 °C), y bajo diferentes atmósferas oxidantes con 02, dichos materiales durante o tras la etapa de carbonización a diferentes temperaturas ((450-1100 °C, preferentemente 500-1000 °C). The electro-spinning of precursor / chemical-chemical mixtures is carried out at room temperature and without polymeric additives, using a coaxial device similar to that claimed in a previous invention (ES2326455B2). However, both the properties of the precursor mixture and of the electro-spun and / or finally carbonized composite material, as well as the experimental conditions of the electrowinning process and the subsequent thermal stages, are totally novel and unique. Due to the presence of chemical species, which increase the concentration and usually with acid-base, redox, etc. properties, the mixed solutions have relatively high viscosities and conductivities that require precise control of the operating conditions (relatively high flow rates and voltages. ) to allow an electrowinning process that, therefore, is limited exclusively to mixtures with low proportions of said chemical species (from 1% of the amount of the carbonaceous precursor and up to 60 or 70%, usually up to about 50% of the amount of carbonaceous precursor). In the process claimed herein, the electro-spinning produces fibrillar materials composed of very small dimensions (diameters up to 5 μπι) and, being homogeneously mixed with the carbonaceous precursors, the chemical species directly produce 3 effects in the polymer precursor conversion process. yarns in their corresponding final carbonaceous structures: (i) they allow to accelerate (up to 50 times) and / or optimize (allowing a greater variety of conditions and / or reducing the temperature) the stabilization stage totally avoiding or improving the control of the fusion / partial swelling of said structures; and / or (ii) allow said structures to be chemically activated directly during the carbonization stage at different temperatures (450-1100 ° C, preferably 500-1000 ° C); and (iii) increasing its resistance to oxidation, allows partially and controlled gasification at high temperatures ((450-1100 ° C, preferably 500-1000 ° C), and under different oxidizing atmospheres with 0 2 , said materials during or after the carbonization stage at different temperatures ((450-1100 ° C, preferably 500-1000 ° C).
Como resultado de los efectos anteriores, además, se amplía considerablemente la versatilidad con la que se puede llevar a cabo la fabricación de materiales fibrilares de carbono a partir de la técnica de electrohilado. Así, en el procedimiento que aquí se reivindica, la transformación térmica de los materiales compuestos electrohilados (precursores) en sus correspondientes estructuras carbonosas puede llevarse a cabo en 1-3 etapas a través de 6 procesos diferentes según las siguientes modalidades: (i) una única etapa estabilización-carbonización utilizando una única atmósfera, inerte (N2) u oxidante (mezclas N2/02); (ii) dos etapas consistentes en una etapa de estabilización-carbonización en atmósfera inerte (N2), seguido de una etapa adicional posterior de gasificación parcial controlada en atmósfera oxidante (mezclas N2/02); (iii) dos etapas sucesivas de estabilización y carbonización llevadas a cabo en atmósferas diferentes (inerte + oxidante u oxidante + inerte); y (iv) tres etapas sucesivas de estabilización, activación- carbonización y gasificación parcial llevadas a cabo en atmósferas diferentes (oxidante + inerte + oxidante (mezclas N2/02)). As a result of the above effects, in addition, the versatility with which the manufacture of carbon fibrillar materials from the electro-spinning technique can be carried out is considerably expanded. Thus, in the process claimed here, the thermal transformation of the electro-spun composite materials (precursors) into their corresponding carbonaceous structures can be carried out in 1-3 stages through 6 different processes according to the following modalities: (i) a single stage stabilization-carbonization using a single, inert atmosphere (N 2) or oxidizing (mixtures N 2/0 2); (ii) two steps consisting of a step of stabilization-carbonization in an inert atmosphere (N 2), followed by a subsequent additional step of partial gasification controlled oxidizing atmosphere (N 2 mixtures / 0 2); (iii) two successive stages of stabilization and carbonization carried out in different atmospheres (inert + oxidant or oxidant + inert); and (iv) three successive stages of stabilization, carbonization and activation - partial gasification carried out in various atmospheres (inert + oxidizer + oxidant (mixture N 2/0 2)).
También es objeto de la presente invención los materiales fibrilares carbonosos fruto de realizar el procedimiento que constituye el primer objeto de la invención en cualquiera de sus variantes, no habiéndose descrito en el estado de la técnica la obtención de dichas propiedades físico-químicas conjuntamente mediante otras técnicas y/o procedimientos. Atendiendo a su morfología y dimensiones, los materiales fibrilares carbonosos pueden ser lineales o ramificados y/o interconectados, y presentan diámetros entre 100 nm y 5 μπι. Por otro lado, mediante la elección adecuada de las condiciones experimentales, la introducción de especies químicas estabilizantes permite controlar el grado de ablandamiento/fusión parcial de las estructuras fibrilares en intervalos de temperatura más amplios y a velocidades de calentamiento considerablemente mayores, dando lugar a diversas estructuras interconectadas tridimensionales y a sus réplicas carbonosas. Atendiendo a su estructura, los materiales pueden ser simples (rígidos) o huecos, aunque también pueden ser de tipo coaxial, en las que el material carbonoso recubre o es recubierto coaxialmente por otro material distinto, que puede ser indistintamente de tipo carbonoso, polimérico o cerámico. Atendiendo a sus propiedades texturales, los materiales pueden ser microporosos (diámetro del poro entre 0,7 - 2,0 nm) (con volúmenes de hasta 1.5 crnVg), mesoporosos (2,0 - 50 nm) (volúmenes de hasta 0.5 cm /g) o presentar una determinada distribución de tamaños de poros que les confieren una elevada superficie específica desde 500 a 3000 m2/g. Atendiendo a su química y reactividad, los materiales fibrilares carbonosos pueden incorporar diversos heteroátomos o funcionalidades de los propios precursores y/o especies químicas o de la atmósfera reactiva, como oxígeno (desde 0.01 hasta 30 %) y fósforo (desde 0.1 hasta 15 %), con propiedades ácido-base, oxido-reducción (redox), complejantes, intercambiadoras, promotoras de la conductividad, actividad catalítica, resistencia a la oxidación, etc. para diversas aplicaciones. En particular, los materiales presentan cierta resistencia a la tracción y/o deformación (propiedades mecánicas) y una elevada resistencia a la oxidación, soportando temperaturas de hasta 600 °C en presencia de aire, previa gasificación. Además, los materiales fibrilares compuestos que aquí se reivindican pueden doparse adicionalmente con partículas catalíticas o conductoras (metálicas, cerámicas, carbonosas) u otros materiales micro- o nanoestructurados, cuyo objeto sea la modificación de la estructura y propiedades finales de las estructuras fibrilares de carbono obtenidas a partir de las mezclas precursor/especie química. The object of the present invention is also the carbonaceous fibrillar materials resulting from carrying out the process that constitutes the first object of the invention in any of its variants, having not been described in the state of the art to obtain said physicochemical properties together by other techniques and / or procedures. According to its morphology and dimensions, fibrillar materials carbonates can be linear or branched and / or interconnected, and have diameters between 100 nm and 5 μπι. On the other hand, through the appropriate choice of experimental conditions, the introduction of stabilizing chemical species allows to control the degree of softening / partial fusion of the fibrillar structures at wider temperature intervals and at considerably higher heating rates, giving rise to various structures interconnected three-dimensional and its carbonaceous replicas. According to its structure, the materials can be simple (rigid) or hollow, although they can also be of the coaxial type, in which the carbonaceous material covers or is coaxially coated by another different material, which can be interchangeably of the carbonaceous, polymeric or ceramic. According to their textural properties, the materials can be microporous (pore diameter between 0.7 - 2.0 nm) (with volumes up to 1.5 crnVg), mesoporous (2.0 - 50 nm) (volumes up to 0.5 cm / g) or present a certain distribution of pore sizes that give them a high specific surface area from 500 to 3000 m 2 / g. Based on their chemistry and reactivity, carbonaceous fibrillar materials can incorporate various heteroatoms or functionalities of the precursors themselves and / or chemical species or of the reactive atmosphere, such as oxygen (from 0.01 to 30%) and phosphorus (from 0.1 to 15%) , with acid-base, oxide-reduction (redox), complexing, exchangers, promoters of conductivity, catalytic activity, oxidation resistance, etc. For various applications. In particular, the materials have a certain tensile and / or deformation resistance (mechanical properties) and a high resistance to oxidation, withstanding temperatures of up to 600 ° C in the presence of air, after gasification. In addition, the composite fibrillar materials claimed herein can be additionally doped with catalytic or conductive particles (metallic, ceramic, carbonaceous) or other microstructured or nanostructured materials, the object of which is the modification of the structure and final properties of the carbon fibrillar structures obtained from the precursor / chemical species mixtures.
Aunque algunos de los efectos en la estabilización, activación, simplificación de etapas y en las propiedades de los materiales fibrilares finales pudieran ser esperables o deducibles a partir de sus propiedades y/o del estado del arte de la preparación de materiales carbonosos, resultan totalmente novedosos por ser efectos considerablemente magnificados, ventajosos y/o nunca reportados a partir de cantidades relativamente pequeñas de especies químicas, que no sólo limitan la viabilidad y hacen exclusivo el proceso de electrohilado que aquí se reivindica, sino que se distribuyen homogéneamente por toda la estructura (externa e interna) de unas estructuras fibrilares de dimensiones muy pequeñas, a escala micro- y sub-micrométrica, y muy accesibles a las atmósferas en las que reaccionan. Although some of the effects on the stabilization, activation, simplification of stages and on the properties of the final fibrillar materials could be expected or deductible from their properties and / or the state of the art of the preparation of carbonaceous materials, they are totally novel for being considerably magnified, advantageous and / or never reported effects from relatively small quantities of chemical species, which not only limit the viability and make exclusive the electro-spinning process that is claimed here, but is distributed homogeneously throughout the structure (external and internal) of fibrillar structures of very small dimensions, at micro- and sub-micrometric scales, and very accessible to the atmospheres in which they react .
Aunque la inclusión de especies activantes y/o promotoras de la resistencia a la oxidación, como el H3P04, en el procedimiento de electrohilado de disoluciones de lignina pudiera parecer fácilmente deducible a partir del estado de la técnica, el procedimiento aquí reivindicado presenta gran actividad inventiva por diversos aspectos muy importantes: Although the inclusion of activating and / or promoter species for oxidation resistance, such as H 3 P0 4 , in the lignin solution electrowinning process may seem easily deductible from the state of the art, the process claimed herein presents Great inventive activity for several very important aspects:
A) En primer lugar, frente a la invención previa de electrohilado de disoluciones de lignina (ES2326455B2):  A) First, against the previous invention of electroign spinning of lignin solutions (ES2326455B2):
(i) en la que se reivindica (tercera reivindicación) que "la disolución de lignina se dopa con partículas catalíticas u otros materiales nanoestructurados para modificar las propiedades de las fibras de carbono obtenidas a partir del tratamiento térmico de las de lignina", la presente invención reivindica la mezcla o dopado del precursor con especies químicas que, no sólo afectan a las propiedades finales de las fibras de carbono, sino que, además, participan activamente y afectan determinantemente a las etapas de estabilización y carbonización. Entre estos efectos superiores o ventajosos, jamás observados, cabe destacar que dichas especies disminuyen considerablemente el tiempo (de 3 días 11 horas a 1 h 30 min, unas 50 veces) y la temperatura (de 200 a 150 °C) de estabilización; simplifican el número de etapas y la cantidad de agente activante, de forma que pueden llevarse a cabo durante un misma etapa de calentamiento los procesos de estabilización, activación química, carbonización y/o activación física; y, por tanto, reducen el coste (energético, económico y/o de contaminación) del proceso global de fabricación; y, al mismo tiempo, los procesos de activación química y física (en presencia de cantidades controladas de 02 a elevadas temperaturas) durante o tras la gasificación dan lugar a estructuras con áreas superficiales significativamente mayores (hasta 3000 m2/g frente a los 700 m2/g en ausencia de dichas especies) y con una mayor variedad de propiedades texturales y químicas, como la presencia de grupos superficiales de fósforo que aumentan considerablemente la resistencia a la oxidación. (i) in which it is claimed (third claim) that "the lignin solution is doped with catalytic particles or other nanostructured materials to modify the properties of the carbon fibers obtained from the thermal treatment of those of lignin," the present The invention claims the mixing or doping of the precursor with chemical species that not only affect the final properties of the carbon fibers, but also actively participate and decisively affect the stabilization and carbonization stages. Among these superior or advantageous effects, never observed, it should be noted that these species considerably reduce the time (from 3 days 11 hours to 1 h 30 min, about 50 times) and the stabilization temperature (from 200 to 150 ° C); simplify the number of stages and the amount of activating agent, so that the processes of stabilization, chemical activation, carbonization and / or physical activation can be carried out during the same heating stage; and, therefore, reduce the cost (energy, economic and / or pollution) of the overall manufacturing process; and, at the same time, the processes of chemical and physical activation (in the presence of controlled quantities of 0 2 at high temperatures) during or after gasification give rise to structures with significantly larger surface areas (up to 3000 m 2 / g compared to 700 m 2 / g in the absence of these species) and with a greater variety of textural and chemical properties, such as the presence of surface phosphorus groups that significantly increase oxidation resistance.
(ii) el comportamiento y preparación de disoluciones lignina + etanol + fosfórico que aquí se reivindica es diferente al de disoluciones lignina + etanol (de la invención previa) en términos de concentración, viscosidad y conductividad eléctrica, etc., de forma que las condiciones experimentales de electrohilado (velocidad de flujo, voltaje, distancia punta colector, etc.) son distintas y más distintas cuanto mayor es la proporción de H3PO4. (ii) the behavior and preparation of lignin + ethanol + phosphoric solutions claimed herein is different from that of lignin + ethanol solutions (of the previous invention) in terms of concentration, viscosity and electrical conductivity, etc., in a manner that the experimental conditions of electro-spinning (flow rate, voltage, distance collector tip, etc.) are different and more different the higher the proportion of H3PO4.
(iii) tras la evaporación del etanol, las fibras de lignina/fosfórico electrohiladas se comportan de una manera totalmente distinta a las de lignina pura (de la invención previa) en lo que se refiere a la velocidad de calentamiento, temperaturas de estabilización y carbonización, estabilidad química, etc.  (iii) after evaporation of ethanol, electrowinged lignin / phosphoric fibers behave in a completely different way from pure lignin (of the previous invention) in terms of heating rate, stabilization and carbonization temperatures , chemical stability, etc.
B) En segundo lugar, aunque el efecto activante y otras propiedades del H3PO4 en la preparación y las características de los carbones activados han sido ampliamente estudiados, los observados en la estabilización, activación química y aumento de la resistencia a la oxidación en el procedimiento que aquí se reivindica son de nuevo totalmente novedosos. Considerando que los efectos conocidos del H3PO4 solo son significativos cuando la relación precursor/H3P04 es igual o superior a 1/1 (1/2, 1/3, etc.) y que dichas mezclas no pueden ser electrohiladas (por la gran inestabilidad del cono de Taylor) ni estabilizadas sin que las estructuras fibrilares colapsen por fusión, la novedad del procedimiento que aquí se reivindica se basa en el electrohilado de mezclas precursor/H3P04 con pequeñas cantidades de H3P04 (hasta 1/0.5 como mucho) que, a diferencia de lo que cabría esperar, producen un efecto muy notable porque las dimensiones de las fibras son muy pequeñas y el H3P04 está muy bien distribuido por toda la fibra y muy accesible a la atmósfera gaseosa reactiva. De esta forma, la propia limitación del método de electrohilado para electrohilar mezclas lignina/H3P04 con relaciones de impregnación que se consideran mínimas para obtener efectos apreciables, es la que ha permitido revelar que solo cuando se reducen las dimensiones del material precursor hasta valores cercanos o por debajo de las pocas mieras y cuando la especie química está homogéneamente distribuida, no solo por su parte externa sino también por toda su estructura interna (ambos requerimientos exclusivamente factibles mediante el procedimiento que aquí se reivindica), entonces ha sido posible observar efectos magnificados (efectos muy superiores a pesar de utilizar cantidades muy inferiores) de la especie química, introducida en pequeñas cantidades mediante dicho método y empleando unas condiciones experimentales específicas. B) Second, although the activating effect and other properties of H3PO4 in the preparation and characteristics of activated carbons have been extensively studied, those observed in stabilization, chemical activation and increased oxidation resistance in the procedure that Here it is claimed they are again completely new. Whereas the known effects of H3PO4 are only significant when the precursor / H 3 P0 4 ratio is equal to or greater than 1/1 (1/2, 1/3, etc.) and that said mixtures cannot be electro-spun (by the great instability of the Taylor cone) nor stabilized without the fibrillar structures collapsing by fusion, the novelty of the procedure claimed here is based on the electro-spinning of precursor / H 3 P0 4 mixtures with small amounts of H 3 P0 4 (up to 1 /0.5 at most) which, unlike what you would expect, produce a very noticeable effect because the dimensions of the fibers are very small and the H 3 P0 4 is very well distributed throughout the fiber and very accessible to the gaseous atmosphere reactive In this way, the very limitation of the electro-spinning method for electro-spinning lignin / H 3 P0 4 mixtures with impregnation ratios that are considered minimal to obtain appreciable effects, is what has allowed to reveal that only when the dimensions of the precursor material are reduced to values close to or below the few microns and when the chemical species is homogeneously distributed, not only for its external part but also for its entire internal structure (both requirements exclusively feasible by the procedure claimed here), then it has been possible to observe magnified effects (much higher effects despite using much lower amounts) of the chemical species, introduced in small quantities by said method and using specific experimental conditions.
C) Dicho esto, aunque existen trabajos e invenciones donde se estudia la estabilización de fibras de lignina con determinadas especies químicas o de otros precursores (acrílicos), incluso con ¾Ρ04, éstos se han llevado a cabo por el método de extrusión. De esta forma, tanto la naturaleza de la mezcla precursor/H3P04 como del método de hilado son bien distintos por lo que el procedimiento y los efectos y propiedades que aquí se reivindican son completamente diferentes y difícilmente deducibles a partir de los anteriores. Y es que el procedimiento que aquí se reivindica es el único que hasta ahora plantea y ha podido llevar a cabo con éxito el electrohilado de mezclas de lignina con H3P04 y/o su transformación en materiales carbonosos. Para ello, si no se utiliza el fosfórico en las cantidades adecuadas y/o si las condiciones experimentales durante las etapas de electrohilado, estabilización y carbonización no se llevan a cabo exactamente como aquí se plantean, no se pueden obtener ni los materiales resultantes ni las novedades/ventajas del proceso de fabricación. Todas estas consideraciones son prueba de la gran dificultad y actividad inventiva del procedimiento reivindicado. C) That said, although there are works and inventions where the stabilization of lignin fibers with certain chemical species or other precursors (acrylics) is studied, even with estudia0 4 , these have been carried out by the method of extrusion. Thus, both the nature of the precursor / H 3 P0 4 mixture and the spinning method are very different, so that the process and the effects and properties claimed herein are completely different and hardly deductible from the foregoing. And it is that the procedure that is claimed here is the only one that so far poses and has been able to successfully carry out the electrowinning of lignin mixtures with H 3 P0 4 and / or its transformation into carbonaceous materials. To do this, if phosphoric is not used in the appropriate amounts and / or if the experimental conditions during the electrowinning, stabilization and carbonization stages are not carried out exactly as stated here, neither the resulting materials nor the materials can be obtained. news / advantages of the manufacturing process. All these considerations are proof of the great difficulty and inventive activity of the claimed process.
D) Finalmente, la presente invención describe las propiedades avanzadas obtenidas conjuntamente en los materiales fibrilares carbonosos, cuya obtención mediante otros métodos no ha sido descrita en el estado de la técnica. Dicha amalgama de propiedades consiste en diámetros fibrilares del orden de las pocas mieras o inferiores, elevadas áreas superficiales de hasta 3000 m2/g, y una rica química superficial con porcentajes variables de fósforo que aumentan considerablemente su resistencia a la oxidación. Considerando que al reducir el diámetro de las fibras resulta más complicado post-activarlas significativamente y/o funcionalizarlas sin romperlas o descomponerlas; que la post-impregnación de materiales fibrilares de pequeñas dimensiones con una determinada especie química tras la etapa de electrohilado y/o las de estabilización o carbonización conlleva la destrucción de la fibras y/o una distribución menos homogénea y exclusivamente externa, respectivamente , y por tanto, menos eficientes de dicha especie; la actividad inventiva radica en que solo el procedimiento que aquí se reivindica, en el que la especie química se disuelve y dispersa homogéneamente en pequeñas proporciones con el precursor carbonosos antes del proceso de electrohilado y, por tanto, antes de conformar las pequeñas dimensiones de los materiales, permite beneficiarse y optimizar los efectos de la especie química para obtener los materiales reivindicados. D) Finally, the present invention describes the advanced properties obtained together in the carbonaceous fibrillar materials, the obtaining of which by other methods has not been described in the state of the art. Said amalgam of properties consists of fibrillar diameters of the order of a few microns or less, high surface areas of up to 3000 m 2 / g, and a rich surface chemistry with varying percentages of phosphorus that considerably increase its resistance to oxidation. Considering that reducing the diameter of the fibers is more complicated to post-activate them significantly and / or functionalize them without breaking or breaking them down; that the post-impregnation of fibrillar materials of small dimensions with a certain chemical species after the electrowinning and / or stabilization or carbonization stage entails the destruction of the fibers and / or a less homogeneous and exclusively external distribution, respectively, and by therefore, less efficient of said species; The inventive activity is that only the process claimed here, in which the chemical species dissolves and disperses homogeneously in small proportions with the carbonaceous precursor before the electrowinning process and, therefore, before shaping the small dimensions of the materials, allows to benefit and optimize the effects of the chemical species to obtain the claimed materials.
BREVE EXPLICACIÓN DE LAS FIGURAS BRIEF EXPLANATION OF THE FIGURES
Figura 1. Imágenes SEM de fibras de lignina lineales (a) y ramificadas (b) Figura 2. Evolución de la velocidad de calentamiento e imágenes SEM de las fibras de lignina as-spun y estabilizadas a 0.05 °C/min y 1 °C/min (rundidas- microscopio óptico) y las de 1/0.3 as-spun y estabilizadas a 0.05 °C/min y 1 °C/min, 3 °C/min 4-5 °C/min. Figure 1. SEM images of linear (a) and branched (b) lignin fibers Figure 2. Evolution of the heating rate and SEM images of the as-spun and stabilized lignin fibers at 0.05 ° C / min and 1 ° C / min (rounds-optical microscope) and those of 1 / 0.3 as-spun and stabilized at 0.05 ° C / min and 1 ° C / min, 3 ° C / min 4-5 ° C / min.
Figura 3. Isoterma del activado-1/0.3 (tras carbonización) comparada con la de lignina sin P Figure 3. Activated isotherm-1 / 0.3 (after carbonization) compared to that of lignin without P
Figura 4. Estabilidad + Gasificación (TG) e isoterma del gasificado- 1/0.3 comparada con la de lignina sin P Figure 4. Stability + Gasification (TG) and gasification isotherm - 1 / 0.3 compared to that of lignin without P
Figura 5. Funcionalización XPS del P(2p): Los materiales carbonosos resultantes presentan grupos superficiales de fósforo fuertemente anclados (1-3 wt%P -XPS) y elevados contenidos en oxígeno (5-20 wt%0 -DTP). Figure 5. XPS functionalization of P (2p): The resulting carbonaceous materials have strongly anchored phosphorus surface groups (1-3 wt% P -XPS) and high oxygen content (5-20 wt% 0 -DTP).
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente invención reivindica un método que permite la fabricación de diversas materiales fibrilares carbonosos con superficie específica y resistencia a la oxidación elevadas mediante el electrohilado y posterior transformación térmica de materiales compuestos formados por precursores de carbono (componente mayoritario: lignina, breas y otros derivados de la pirólisis de residuos orgánicos naturales, así como resinas de origen vegetal) y un agente químico estabilizante para acelerar la etapa de estabilización y/o capaz de inducir un proceso de activación química durante la etapa de carbonización y que, aumentando la resistencia frente a la oxidación/gasificación a elevadas temperaturas, permita una gasificación parcial controlada de las fibras carbonosas en presencia de gases conteniendo oxígeno durante o tras la etapa de carbonización, para reducir la duración y simplificar su proceso de fabricación global y, al mismo tiempo, modular y optimizar sus propiedades texturales, estructurales y/o químicas. The present invention claims a method that allows the manufacture of various carbonaceous fibrillar materials with high specific surface and oxidation resistance by electro-spinning and subsequent thermal transformation of composite materials formed by carbon precursors (majority component: lignin, breas and other derivatives of the pyrolysis of natural organic waste, as well as resins of plant origin) and a chemical stabilizing agent to accelerate the stabilization stage and / or capable of inducing a chemical activation process during the carbonization stage and which, increasing the resistance against oxidation / gasification at high temperatures, allow a controlled partial gasification of the carbonaceous fibers in the presence of gases containing oxygen during or after the carbonization stage, to reduce the duration and simplify its global manufacturing process and, at the same time, modulate and optimize their property It is textural, structural and / or chemical.
La preparación de disoluciones homogéneas de precursor carbonoso y agente químico o, lo que es lo mismo, la funcionalización uniforme del precursor carbonoso con dicho agente químico, es muy importante para poder llevar a cabo satisfactoriamente la etapa de electrohilado. Por ejemplo, para mezclas lignina/H3P04, se añade una cantidad adecuada de H3P04 sobre una masa determinada de lignina y, a su vez, se vierte un volumen de disolvente apropiado, como por ejemplo etanol, sobre la mezcla anterior lignina/H3P04. A continuación, la mezcla se calienta, a volumen constante, bajo agitación magnética a temperaturas por debajo del punto de ebullición del disolvente. La agitación puede realizarse a diferentes velocidades (se recomienda entre 25 y 500 rpm), y es estrictamente necesaria durante un tiempo suficiente (se recomienda un mínimo 2 h) para disolver los posibles aglomerados de precursor y agente químico y obtener una mezcla homogénea, mientras que el calentamiento se requiere por la dificultad de obtener una solución viscosa de lignina a temperatura ambiente. The preparation of homogeneous solutions of carbonaceous precursor and chemical agent or, what is the same, the uniform functionalization of the carbonaceous precursor with said chemical agent, is very important to be able to satisfactorily carry out the electrowinning stage For example, for mixtures lignin / H 3 P0 4 , an appropriate amount of H 3 P0 4 is added on a given mass of lignin and, in turn, an appropriate volume of solvent, such as ethanol, is poured onto the mixture previous lignin / H 3 P0 4 . The mixture is then heated, at constant volume, under magnetic stirring at temperatures below the boiling point of the solvent. Stirring can be performed at different speeds (recommended between 25 and 500 rpm), and is strictly necessary for a sufficient time (a minimum of 2 h is recommended) to dissolve the possible precursor and chemical agent agglomerates and obtain a homogeneous mixture, while that heating is required due to the difficulty of obtaining a viscous solution of lignin at room temperature.
La concentración y naturaleza del precursor, especie química y disolvente (composición) de las disoluciones determinan su viscosidad y conductividad, propiedades muy importantes que afectan enormemente al flujo de alimentación de la mezcla y/o a la estabilidad y propiedades del cono de Taylor, que en definitiva, van a determinar tanto el éxito del proceso de electrohilado como las ventajas en las etapas térmicas posteriores y las propiedades de los materiales resultantes. En consecuencia, el control preciso de ambos parámetros, viscosidad y conductividad, resulta de vital importancia para el procedimiento que aquí se reivindica, y en mayor medida, considerando la gran influencia de las especies químicas en estos parámetros.  The concentration and nature of the precursor, chemical species and solvent (composition) of the solutions determine its viscosity and conductivity, very important properties that greatly affect the feed flow of the mixture and / or the stability and properties of the Taylor cone, which in Ultimately, they will determine both the success of the electrowinning process and the advantages in the subsequent thermal stages and the properties of the resulting materials. Consequently, the precise control of both parameters, viscosity and conductivity, is of vital importance for the process claimed here, and to a greater extent, considering the great influence of chemical species on these parameters.
Debido a que es el componente mayoritario, la viscosidad de la disolución depende principalmente de la concentración del precursor carbonoso. No obstante, la naturaleza y concentración del agente químico puede jugar un papel muy importante. Así, agentes químicos sólidos (KOH, NaOH, ZnCl2) y determinados líquidos (H3P04 85wt%. = 47 cP (20°C); H2S04 98wt%. = 20,5 cP (20°C); HN03 68wt%. = 2,6 cP (20°C)) aumentan considerablemente la viscosidad de la disolución, mientras que los disolventes comunes la disminuyen (H20 = 1,002 cP (20°C); Etanol = 1,201 cP (20°C); Acetona = 0,324 cP (20°C)). En particular, la presencia de H3P04 aumenta enormemente la viscosidad de las disoluciones de lignina-etanol por lo que su cebado/alimentación al sistema de electrohilado debe realizarse rápidamente tras la agitación, cuando todavía están calientes, aprovechando así su menor viscosidad con la temperatura y facilitar su desplazamiento por los conductos y agujas de reducido diámetro. A continuación, las disoluciones se enfrían rápidamente hasta temperatura ambiente, pero el aumento de su viscosidad no impide ni dificulta el flujo controlado de la mezcla debido a la inercia adquirida tras el impulso inicial. Por otro lado, la conductividad de la disolución está determinada principalmente por la naturaleza del disolvente volátil, pero, igualmente, la adición de algunos agentes químicos (ácidos y bases sobre todo) puede afectar en gran medida y condicionar la estabilidad del cono de Taylor y, en consecuencia, las propiedades de las fibras. Because it is the major component, the viscosity of the solution depends mainly on the concentration of the carbonaceous precursor. However, the nature and concentration of the chemical agent can play a very important role. Thus, solid chemical agents (KOH, NaOH, ZnCl 2 ) and certain liquids (H 3 P0 4 85wt%. = 47 cP (20 ° C); H 2 S0 4 98wt%. = 20.5 cP (20 ° C) ; HN0 3 68wt%. = 2.6 cP (20 ° C)) considerably increase the viscosity of the solution, while common solvents decrease it (H 2 0 = 1,002 cP (20 ° C); Ethanol = 1,201 cP ( 20 ° C); Acetone = 0.324 cP (20 ° C)). In particular, the presence of H 3 P0 4 greatly increases the viscosity of lignin-ethanol solutions so that its priming / feeding to the electrowinning system must be carried out quickly after stirring, when they are still hot, thus taking advantage of its lower viscosity with the temperature and facilitate its movement through the ducts and needles of reduced diameter. The solutions are then cooled rapidly to room temperature, but increasing their viscosity does not prevent or hinder the controlled flow of the mixture due to inertia. acquired after the initial impulse. On the other hand, the conductivity of the solution is determined mainly by the nature of the volatile solvent, but, likewise, the addition of some chemical agents (acids and bases above all) can greatly affect and condition the stability of the Taylor cone and , consequently, the properties of the fibers.
Respecto al proceso de electrohilado, las disoluciones deben mostrar una conductividad eléctrica mínima como para deformar la disolución y generar el cono de Taylor, mientras que las concentraciones de precursor y agente químico deben ser las apropiadas para, por un lado, conseguir la viscosidad y el entrelazado molecular necesario y que la mezcla pueda hilarse, y por otro, para mantener un cono de Taylor estable que permita la eyección continua de un chorro de disolución que se transforma en fibras. En este sentido, al aumentar la concentración de H3PO4 aumenta considerablemente la conductividad de la disolución mezcla y, paralelamente, la inestabilidad y latigueo del cono de Taylor, lo cual comienza a ser considerable para mezclas lignina/t PC^ con una relación 1/0.5. Para mayores proporciones de H3PO4 el proceso de electrohilado no es factible (la viscosidad y la conductividad de la disolución son tan altas que no se puede aplicar un voltaje suficiente para que las fuerzas electro- hidrodinámicas deformen el menisco, y el proceso de formación de fibras se interrumpe) e incluso aun obteniendo algunas fibras cortas, su calentamiento durante la etapa de estabilización produce el ablandamiento de fases de H3PO4 que funden y destruyen la estructura fibrilar. El valor máximo de viscosidad y/o conductividad dependen de la naturaleza y concentración de precursor carbonoso y agente químico, por lo que el electrohilado de diferentes mezclas requiere un conocimiento específico de cada sistema precursor/agente químico/disolvente.  Regarding the electro-spinning process, the solutions must show a minimum electrical conductivity to deform the solution and generate the Taylor cone, while the concentrations of precursor and chemical agent must be appropriate for, on the one hand, achieving viscosity and molecular interlacing necessary and that the mixture can be spun, and on the other, to maintain a stable Taylor cone that allows continuous ejection of a jet of solution that is transformed into fibers. In this sense, increasing the concentration of H3PO4 considerably increases the conductivity of the mixed solution and, in parallel, the instability and whiplash of the Taylor cone, which begins to be considerable for lignin / t PC ^ mixtures with a 1 / 0.5 ratio . For higher proportions of H3PO4 the electrowinning process is not feasible (the viscosity and conductivity of the solution are so high that a sufficient voltage cannot be applied so that the electro-hydrodynamic forces deform the meniscus, and the fiber formation process it is interrupted) and even while obtaining some short fibers, its heating during the stabilization stage causes the softening of H3PO4 phases that melt and destroy the fibrillar structure. The maximum value of viscosity and / or conductivity depends on the nature and concentration of carbonaceous precursor and chemical agent, so the electro-spinning of different mixtures requires a specific knowledge of each precursor system / chemical agent / solvent.
Considerando todos estos factores, para la primera etapa de electrohilado del procedimiento objeto de la invención, la proporción de disolvente frente a precursor, por ejemplo de etanol frente a lignina, puede variar entre un 40% y un 60% de la masa total (de ambos) y la proporción de agente químico frente a precursor, por ejemplo de H3PO4 frente a lignina, entre un 1 % a un 50% de la masa total, lo que supone relaciones de impregnación lignina/HsPC (1/x) con x = 0.01-0.5. No obstante, y dentro del intervalo de composiciones anterior, la concentración de agente químico deber ser la necesaria para inducir el efecto de estabilización, activación y resistencia a la oxidación deseados. Dichas concentraciones y/o composiciones de las disoluciones lignina + etanol + H3PO4, con viscosidades y conductividades eléctricas específicas, necesarias para llevar a cabo con éxito el proceso de electrohilado no han sido reportadas y no pueden deducirse a partir del estado del arte en la técnica de electrohilado ni en la preparación de materiales carbonosos con H3P04, por lo que son reivindicadas en la presente invención. Para mayores proporciones de disolvente, la concentración del precursor y especie química disminuyen y sus moléculas no son capaces de mantenerse cohesionadas y producir un material fibrilar continuo ante el voltaje aplicado. En este caso, la disolución se atomiza en forma de electrospray para dar lugar a partículas esféricas compuestas tipo precursor/agente químico con diámetros similares a los de las fibras. Por ejemplo, para las mezclas lignina/H3P04/etanol esto sucede para porcentajes de etanol superiores al 60% (respecto a la de lignina) y la cantidad de H3P04 no supera el 15 % de la de lignina, aumentando el porcentaje de etanol con el de especie química. Considering all these factors, for the first electrowinning stage of the process object of the invention, the proportion of solvent versus precursor, for example ethanol vs. lignin, can vary between 40% and 60% of the total mass (of both) and the proportion of chemical agent against precursor, for example of H3PO4 against lignin, between 1% to 50% of the total mass, which implies lignin / HsPC (1 / x) impregnation ratios with x = 0.01-0.5. However, and within the range of compositions above, the concentration of chemical agent should be that necessary to induce the desired stabilization, activation and oxidation resistance effect. Said concentrations and / or compositions of the solutions lignin + ethanol + H3PO4, With specific viscosities and electrical conductivities, necessary to carry out the electrowinning process successfully, they have not been reported and cannot be deduced from the state of the art in the electrowinning technique or in the preparation of carbonaceous materials with H 3 P0 4 , for which they are claimed in the present invention. For higher proportions of solvent, the concentration of the precursor and chemical species decrease and its molecules are not able to remain cohesive and produce a continuous fibrillar material before the applied voltage. In this case, the solution is atomized in the form of electrospray to give rise to compound spherical particles precursor / chemical agent with diameters similar to those of the fibers. For example, for mixtures lignin / H 3 P0 4 / ethanol this happens for percentages of ethanol greater than 60% (with respect to lignin) and the amount of H 3 P0 4 does not exceed 15% of that of lignin, increasing the percentage of ethanol with that of chemical species.
El electrohilado de las mezclas precursor/agente químico se lleva a cabo a temperatura ambiente y sin aditivos poliméricos mediante un dispositivo coaxial similar al reivindicado en una invención previa (ES2326455B2). Por la aguja interna se alimenta la mezcla precursor/agente químico preparada según el método aquí reivindicado y por la externa se hace pasar un flujo de disolvente con bajo punto de ebullición, típicamente etanol, con un caudal de entre el 1% y el 50% (normalmente el 10 %) el de la disolución de la mezcla, para evitar la solidificación del cono de Taylor. En general, y debido a su mayor viscosidad, se requiere aumentar el caudal y el voltaje para poder electrohilar disoluciones con cantidades crecientes de agente químico. En el caso particular de las mezclas lignina/H3P04, el aumento de la viscosidad inducido por el H3P04 conlleva un aumento del flujo necesario para electrohilar la disolución, siendo estrecho (normalmente alrededor de ±0.5 ml/min) el intervalo de caudales que posibilitan dicho proceso. Por ejemplo, para una mezcla con relación lignina/H3P04 = 1/0.15, el caudal de disolución adecuado se sitúa alrededor de 3 ml/min y para una mezcla 1/0.3, alrededor de 4 ml/min, aproximadamente el doble que en ausencia de fosfórico. Por otro lado, el aumento de viscosidad y caudal conllevan la necesidad de utilizar mayores voltajes para generar el cono de Taylor. Para los casos anteriores, por ejemplo, se necesitan voltajes de 20-22kV y 24-26 kV, respectivamente, cuando la distancia entre la aguja y el colector es de 30 cm. The electro-spinning of the precursor / chemical agent mixtures is carried out at room temperature and without polymeric additives by means of a coaxial device similar to that claimed in a previous invention (ES2326455B2). The precursor / chemical agent mixture prepared according to the method claimed herein is fed through the internal needle and a flow of solvent with low boiling point, typically ethanol, with a flow rate of between 1% and 50% is passed through the external (normally 10%) of the solution of the mixture, to avoid solidification of the Taylor cone. In general, and due to its higher viscosity, it is necessary to increase the flow rate and the voltage to be able to electro-spin solutions with increasing amounts of chemical agent. In the particular case of lignin / H 3 P0 4 mixtures, the increase in viscosity induced by H 3 P0 4 leads to an increase in the flow necessary to electrowire the solution, being narrow (usually around ± 0.5 ml / min) the interval of flows that enable this process. For example, for a mixture with lignin ratio / H 3 P0 4 = 1 / 0.15, the appropriate solution flow rate is around 3 ml / min and for a mixture 1 / 0.3, about 4 ml / min, approximately double that in the absence of phosphoric. On the other hand, the increase in viscosity and flow entail the need to use higher voltages to generate the Taylor cone. For the previous cases, for example, voltages of 20-22kV and 24-26 kV are needed, respectively, when the distance between the needle and the collector is 30 cm.
Finalmente, la gran influencia de la viscosidad y la conductividad de la disolución en las fuerzas electrodinámicas durante el proceso de electrohilado afectan considerablemente, a su vez, a las propiedades morfológicas/estructurales de los materiales fibrilares resultantes. Así, dichas estructuras presentan diámetros entre 100 y 5 μπι (Fig. 2), aumentando con el aumento de la viscosidad de las disoluciones precursoras. Por otro lado, la inestabilidad del cono de Taylor y el fenómeno del latigueo, promovidos con el aumento de la conductividad de la disolución y los voltajes aplicados, favorecen la curvatura, el rizado, el acortamiento, la ramificación y/o la dispersión de diámetros de las fibras (Fig. 1). Respecto a su composición, y una vez secas tras la evaporación completa del disolvente, las estructuras fibrilares compuestas precursor/especie química presentan porcentajes de la especie química similares a los nominales utilizados para preparar las disoluciones. Por ejemplo, una vez electrohiladas, las fibras lignina/H3P04 preparadas a partir de una disolución con relación 1/0.3, presentan un alrededor de un 7 % másico de fósforo un elevado porcentaje de oxígeno (entorno a un 30 % másico de oxígeno) proveniente del elevado contenido en oxígeno en la estructura molecular de la lignina y de la presencia de H3P04. Además, y de acuerdo con el procedimiento de la presente invención, la especie química introducida eficientemente en las estructuras fibrilares del precursor carbonoso (lignina, breas y otros derivados de la pirólisis de residuos orgánicos naturales, así como resinas de origen vegetal) permite acelerar y/u optimizar la etapa de estabilización y/o inducir directamente un proceso de activación química y/o permitir una gasificación parcial (con gases conteniendo oxígeno) durante o tras la etapa de carbonización de dichas estructuras para reducir la duración y simplificar su proceso de fabricación global y, al mismo tiempo, modular y optimizar las propiedades texturales, estructurales y/o químicas de los materiales carbonosos finales. Por consiguiente, los materiales fibrilares compuestos electrohilados que aquí se reivindican son totalmente excepcionales y novedosos, diferentes a los de otras invenciones y/o trabajos del estado del arte. Finally, the great influence of the viscosity and the conductivity of the solution on the electrodynamic forces during the electrowinning process considerably affect, in turn, the morphological / structural properties of the resulting fibrillar materials. Thus, said structures have diameters between 100 and 5 μπι (Fig. 2), increasing with the increase in the viscosity of the precursor solutions. On the other hand, the instability of the Taylor cone and the whiplash phenomenon, promoted with the increase of the conductivity of the solution and the applied voltages, favor the curvature, the curl, the shortening, the branching and / or the dispersion of diameters of the fibers (Fig. 1). Regarding its composition, and once dry after the complete evaporation of the solvent, the precursor / chemical species compound fibrillar structures have similar percentages of the chemical species used to prepare the solutions. For example, once electro-spun, lignin / H 3 P0 4 fibers prepared from a solution with a 1 / 0.3 ratio, have a high percentage of phosphorus with a high percentage of oxygen (around 30% mass of oxygen) from the high oxygen content in the molecular structure of lignin and the presence of H 3 P0 4 . Furthermore, and according to the process of the present invention, the chemical species efficiently introduced into the fibrillar structures of the carbonaceous precursor (lignin, breas and other derivatives of the pyrolysis of natural organic waste, as well as resins of plant origin) allows accelerating and / u optimize the stabilization stage and / or directly induce a chemical activation process and / or allow partial gasification (with gases containing oxygen) during or after the carbonization stage of said structures to reduce the duration and simplify their manufacturing process global and, at the same time, modulate and optimize the textural, structural and / or chemical properties of the final carbonaceous materials. Therefore, the electro-spun composite fibrillary materials claimed herein are totally exceptional and novel, different from those of other inventions and / or works of the state of the art.
Además de otros tipos de lignina y diversos residuos lignocelulósicos, el electrohilado de mezclas con especies químicas que aquí se reivindica puede llevarse a cabo con otros precursores carbonosos, como resinas de origen vegetal, breas o derivados de la pirólisis de residuos orgánicos naturales, ajustando sus propiedades Teológicas (viscosidad y conductividad), y otros disolventes volátiles diferentes al etanol, como propanol, acetona, H20, etc., o mezcla de ellos. Por otro lado, tanto las ventajas de fabricación como los efectos y propiedades novedosos que aquí se reivindican para estructuras fibrilares carbonosas, a partir del procesado electrohidrodinámico de mezclas precursor/especie química, pueden extenderse a otras conformaciones y/o combinaciones. Así, y mediante la utilización de una configuración coaxial y disoluciones diluidas de las mezclas precursor/especie química pueden obtenerse (y tras los tratamientos térmicos posteriores) partículas carbonosas esféricas; mientras que mediante un dispositivo de configuración triaxial pueden obtenerse estructuras fíbrilares carbonosas huecas o coaxiales, tan sólo pasando un líquido inerte de sacrificio u otra disolución o gel de un material susceptible de solidificar (polímeros, sol-gel, etc.) por la aguja concéntrica interior. Finalmente, los distintos materiales en forma fibrilar, tubular, coaxial y particular, obtenidos a partir del procesado electrohidrodinámico de mezclas precursor/especie química que aquí se reivindica, pueden doparse adicionalmente (y directamente en una sola etapa) con partículas (metálicas, cerámicas, carbonosas), funcionalidades y/o sus precursores, para modificar y/u optimizar las propiedades estructurales, mecánicas, conductoras, químicas (actividad catalítica, estabilidad, etc.) de los materiales carbonosos finales. In addition to other types of lignin and various lignocellulosic residues, the electro-spinning of mixtures with chemical species claimed here can be carried out with other carbonaceous precursors, such as resins of plant origin, breasts or derivatives of the pyrolysis of natural organic waste, adjusting their rheological properties (viscosity and conductivity), and other volatile solvents other than ethanol, as propanol, acetone, H 2 0, etc. or mixture thereof. On the other hand, both the manufacturing advantages and the novel effects and properties that are claimed here for carbonaceous fibrillar structures, from electrohydrodynamic processing of precursor / chemical species mixtures, can be extended to other conformations and / or combinations Thus, and by using a coaxial configuration and dilute solutions of the precursor / chemical species mixtures, spherical carbon particles can be obtained (and after subsequent heat treatments); while by means of a triaxial configuration device, hollow or coaxial carbonaceous fibrillar structures can be obtained, only by passing an inert sacrificial liquid or other solution or gel of a material capable of solidifying (polymers, sol-gel, etc.) through the concentric needle inside. Finally, the different materials in fibrillar, tubular, coaxial and particular form, obtained from the electrohydrodynamic processing of precursor / chemical species mixtures that are claimed here, can be additionally doped (and directly in a single stage) with particles (metallic, ceramic, carbonates), functionalities and / or their precursors, to modify and / or optimize the structural, mechanical, conductive, chemical properties (catalytic activity, stability, etc.) of the final carbonaceous materials.
Tras la etapa de electrohilado, los materiales compuestos precursor/especie química con forma fibrilar se transforman en estructuras carbonosas a elevadas temperaturas. Debido a la naturaleza termoplástica de los precursores, la conservación de su estructura fibrilar requiere de una etapa previa de estabilización termo-oxidativa. El proceso se lleva a cabo en una estufa u horno convencional en presencia de aire, calentando desde 60 °C hasta temperaturas moderadas (250 °C como máximo). Durante esta etapa, la presencia de especies químicas estabilizantes, como el H3P04, homogéneamente distribuidas por toda la estructura fibrilar del precursor carbonoso, promueven diversas reacciones de deshidratación, oxidación y entrecruzamiento entre los grupos oxigenados de las moléculas poliméricas del precursor, estabilizando sus estructuras fíbrilares. En particular, las propiedades únicas de los materiales compuestos lignina/H3P04 electrohilados, con proporciones de H3P04 de al menos del 10 %, permiten utilizar rampas de calentamiento muy rápidas, de hasta 3 °C/min, y temperaturas de estabilización muy bajas, de hasta 150 °C, mantenidas durante 1 h, sin comprometer la estructura fibrilar original y dar lugar a estructuras fíbrilares lineales (Figura 2). En comparación al proceso de estabilización en ausencia de especies químicas estabilizantes (0.05-0.08 °C/min hasta 200 °C + 36 h) (Figura 2), esto supone una reducción extraordinaria del tiempo (de 3 días 11 horas a 1 h 30 min, unas 50 veces) y la temperatura (de 200 a 150 °C) de estabilización y, por tanto, del tiempo, costes económicos y contaminación asociados al proceso global. Además, el efecto estabilizante del H3PO4 es tal que, con precursores ricos en oxígeno (como la lignina), permite llevar a cabo el proceso de estabilización incluso en atmósfera inerte, como la utilizada en el proceso de carbonización y, evidentemente, en atmósferas con distintos contenidos en oxígeno. After the electrowinning stage, the fibrillar-shaped precursor / chemical species composites are transformed into carbonaceous structures at elevated temperatures. Due to the thermoplastic nature of the precursors, the conservation of their fibrillar structure requires a previous stage of thermo-oxidative stabilization. The process is carried out in a conventional oven or oven in the presence of air, heating from 60 ° C to moderate temperatures (250 ° C maximum). During this stage, the presence of stabilizing chemical species, such as H 3 P0 4 , homogeneously distributed throughout the fibrillar structure of the carbonaceous precursor, promotes various reactions of dehydration, oxidation and cross-linking between the oxygenated groups of the precursor polymer molecules, stabilizing its fíbrilar structures. In particular, the unique properties of electro-spun lignin / H 3 P0 4 composites, with proportions of H 3 P0 4 of at least 10%, allow very fast heating ramps, up to 3 ° C / min, and temperatures to be used of very low stabilization, up to 150 ° C, maintained for 1 h, without compromising the original fibrillar structure and giving rise to linear fibrillar structures (Figure 2). Compared to the stabilization process in the absence of stabilizing chemical species (0.05-0.08 ° C / min up to 200 ° C + 36 h) (Figure 2), this means an extraordinary reduction in time (from 3 days 11 hours to 1 h 30 min, about 50 times) and the temperature (from 200 to 150 ° C) of stabilization and, therefore, of the time, economic costs and pollution associated with the global process. In addition, the stabilizing effect H3PO4 is such that, with oxygen-rich precursors (such as lignin), it allows the stabilization process to be carried out even in an inert atmosphere, such as that used in the carbonization process and, obviously, in atmospheres with different oxygen contents.
Por otro lado, el efecto estabilizante del H3P04 permite también utilizar velocidades de calentamiento más elevadas, entre 4-6 °C/min (procesos hasta 100 veces más rápidos), pero en este caso las fibras se ablandan y experimentan un determinado grado de ensanchamiento y/o fusión parcial, dando lugar a fibras interconectadas y, por tanto, estructuras tridimensionales (tipo mallas) (Figura 2). De nuevo, dichas estructuras y/o el control en su grado de interconexión no pueden conseguirse tan rápidamente en ausencia de agente estabilizante debido a la baja temperatura de transición vitrea de estos precursores poliméricos, los cuales funden totalmente a estas velocidades de calentamiento. En consecuencia, en la presente invención se reivindica no solo la etapa de electrohilado del material compuesto con la cantidad y naturaleza de agente estabilizante adecuado, sino también un método de estabilización rápido que permite control del grado de interconexión y/o dimensional de las estructuras fibrilares durante su etapa de estabilización en presencia del agente estabilizante, mediante el control de las condiciones experimentales de dicho proceso, tales como velocidad de calentamiento (principalmente), la temperatura y tiempo de estabilización, la concentración de aire, etc. Una vez carbonizadas, dichas estructuras interconectadas presentan gran interés para su uso como electrodos o soportes de electrocatalizadores para diferentes aplicaciones electroquímicas. Como agentes químicos para acelerar y/u optimizar la etapa de estabilización se pueden usar ácidos y bases inorgánicas con carácter deshidratante como el ácido fosfórico y derivados, ácido sulfúrico, ácido hidroclórico, ácido nítrico, ácido metano sulfónico, ácido sulfónico aromático, ácidos carboxílicos y alcoholes, etc., así como sus correspondientes sales o ésteres. On the other hand, the stabilizing effect of H 3 P0 4 also allows higher heating rates to be used, between 4-6 ° C / min (processes up to 100 times faster), but in this case the fibers soften and undergo a certain degree of widening and / or partial fusion, giving rise to interconnected fibers and, therefore, three-dimensional structures (mesh type) (Figure 2). Again, said structures and / or the control in their degree of interconnection cannot be achieved so quickly in the absence of stabilizing agent due to the low glass transition temperature of these polymeric precursors, which melt completely at these heating rates. Accordingly, in the present invention not only the electro-spinning stage of the composite material with the appropriate amount and nature of the stabilizing agent is claimed, but also a rapid stabilization method that allows control of the degree of interconnection and / or dimensional of the fibrillar structures during its stabilization stage in the presence of the stabilizing agent, by controlling the experimental conditions of said process, such as heating rate (mainly), temperature and stabilization time, air concentration, etc. Once carbonized, these interconnected structures are of great interest for use as electrodes or electrocatalyst supports for different electrochemical applications. As chemical agents to accelerate and / or optimize the stabilization step, inorganic acids and bases can be used with dehydration such as phosphoric acid and derivatives, sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, methane sulfonic acid, aromatic sulfonic acid, carboxylic acids and alcohols, etc., as well as their corresponding salts or esters.
Tras la estabilización, la carbonización de los materiales fibrilares se lleva a cabo en un horno calentándolos en atmósfera inerte hasta elevadas temperaturas (500-1000 °C) y empleando rampas de calentamiento mucho más rápidas (en torno a 10-20 °C/min), sin que las estructuras electrohiladas vean comprometidas su estructura fibrilar. Durante el proceso de carbonización, se produce un reordenamiento de los átomos de carbono para dar lugar a láminas de anillos aromáticos (grafitización) y a la evolución de distintos compuestos volátiles y grupos carbonosos y/u oxigenados con desarrollo de estructura porosa. Además, en el proceso que aquí se reivindica, la presencia de especies químicas con propiedades activantes, como las del H3PO4, favorecen los procesos de descomposición produciendo un desarrollo extra de la porosidad. En el caso particular de materiales fibrilares preparados empleando lignina como precursor, la carbonización a 900°C en atmósfera inerte en presencia de tan solo un 30 % másico inicial de H3PO4 da lugar a estructuras fibrilares carbonosas lineales o interconectadas (dependiendo de la velocidad de la etapa de estabilización) con un área superficial en torno a 1300-1400 m /g, aproximadamente el doble que en ausencia de dicho agente activante (Figura 3). Considerando que para obtener un desarrollo similar de la porosidad a partir de lignina en polvo (es decir, lignina no procesada mediante la etapa de electrohilado del procedimiento aquí reivindicado) se necesita como mínimo un 80 % inicial de H3PO4, de nuevo se puede afirmar que el efecto activante magnificado del H3PO4 reivindicado en la presente invención resulta totalmente novedoso. Además, aunque existe un trabajo en el que se ha electrohilado lignina con otros agentes activantes como el NaOH o KOH (S. Hu, Y.-L. Hsieh, J. Mater. Chem. A 2013, 1, 11279-11288), tanto el mecanismo de las reacciones de activación como las propiedades resultantes finales (principalmente en términos del tipo y distribución de la porosidad) son completamente diferentes y específicos del agente activante (A. Linares-Solano, M.A. Lillo-Ródenas, J.P. Marco- Lozar, M. Kunowsky, A.J. Romero-Anaya, Inter. J. Ener. Environ. Econ. 2012, 20(4), 59-91), por lo que los efectos magnificados, y propiedades resultantes en los ya comentados materiales con reducidas dimensiones y óptima distribución del agente activante de la presente invención son totalmente novedosos. After stabilization, the carbonization of the fibrillar materials is carried out in an oven by heating them in an inert atmosphere to high temperatures (500-1000 ° C) and using much faster heating ramps (around 10-20 ° C / min ), without the electro-spun structures seeing their fibrillar structure compromised. During the carbonization process, a rearrangement of carbon atoms occurs to give rise to aromatic ring sheets (graphitization) and the evolution of different volatile compounds and carbonaceous and / or oxygenated groups with structure development porous In addition, in the process claimed here, the presence of chemical species with activating properties, such as those of H3PO4, favor decomposition processes producing an extra development of porosity. In the particular case of fibrillar materials prepared using lignin as a precursor, carbonization at 900 ° C in an inert atmosphere in the presence of only an initial 30% mass of H3PO4 results in linear or interconnected carbonaceous fibrillar structures (depending on the velocity of the stabilization stage) with a surface area around 1300-1400 m / g, approximately twice that in the absence of said activating agent (Figure 3). Considering that to obtain a similar development of porosity from lignin powder (that is, unprocessed lignin by the electrowinning step of the process claimed herein), at least an initial 80% of H3PO4 is needed, it can again be affirmed that The magnified activating effect of the H3PO4 claimed in the present invention is completely novel. In addition, although there is a work in which lignin has been electrowinned with other activating agents such as NaOH or KOH (S. Hu, Y.-L. Hsieh, J. Mater. Chem. A 2013, 1, 11279-11288), both the mechanism of the activation reactions and the final resulting properties (mainly in terms of the type and distribution of the porosity) are completely different and specific to the activating agent (A. Linares-Solano, MA Lillo-Ródenas, JP Marco-Lozar, M. Kunowsky, AJ Romero-Anaya, Inter. J. Ener. Environ. Econ. 2012, 20 (4), 59-91), so that the magnified effects, and resulting properties in the aforementioned materials with reduced dimensions and Optimum distribution of the activating agent of the present invention are completely novel.
Por otro lado, el proceso de carbonización de los materiales fibrilares estabilizados en atmósfera inerte da lugar a un desarrollo de la porosidad inferior (hasta 1100 m2/g) al de los estabilizados en presencia de aire u otras atmósferas con oxígeno (como consecuencia de la menor captación de oxígeno en forma de grupos salientes durante el tratamiento térmico), pero todavía mayor al conseguido en ausencia de agente activante y, además, obteniéndolo directamente tras dicha estabilización en presencia de la misma atmósfera inerte. Esta preparación de materiales fibrilares carbonosos, lineales o interconectados, en la que se introduce una especie química para inducir un proceso de estabilización en atmósfera inerte y para poder llevar a cabo un proceso de carbonización directamente sin cambiar de atmósfera, resulta también completamente exclusivo de la presente invención. Como agentes químicos para el proceso de activación química directa durante la etapa de carbonización (que aquí se reivindica) se pueden usar diversos ácidos inorgánicos como el fosfórico y sus derivados (por ejemplo, metafosfórico, pirofosfórico, fosforoso, fosfónico, fosfonoso, fosfínico, fosfinoso), el sulfúrico, el nítrico, o sus sales. Por ejemplo, debido a la presencia de un 10-30 wt.% de H3P04, durante la etapa de carbonización (en N2) se produce la activación química de las fibras de lignina, de forma que las estructuras fibrilares obtenidas aumentan su área superficial específica entre 100- 800 m /g con respecto a las mismas fibras de lignina pura (Figura 3). On the other hand, the process of carbonization of the fibrillar materials stabilized in an inert atmosphere leads to a development of the porosity lower (up to 1100 m 2 / g) to that of the stabilized ones in the presence of air or other atmospheres with oxygen (as a consequence of the lower oxygen uptake in the form of leaving groups during the heat treatment), but still greater than that achieved in the absence of activating agent and, in addition, obtaining it directly after said stabilization in the presence of the same inert atmosphere. This preparation of carbonaceous, linear or interconnected fibrillar materials, in which a chemical species is introduced to induce a stabilization process in an inert atmosphere and to be able to carry out a carbonization process directly without changing the atmosphere, is also completely exclusive of the present invention As chemical agents for the direct chemical activation process during the carbonization stage (which is claimed here), various inorganic acids such as phosphoric and their derivatives (for example, metaphosphoric, pyrophosphoric, phosphorous, phosphonic, phosphonous, phosphine, phosphine) can be used ), sulfuric acid, nitric acid, or its salts. For example, due to the presence of 10-30 wt.% Of H 3 P0 4 , during the carbonization stage (in N 2 ) the chemical activation of the lignin fibers occurs, so that the fibrillar structures obtained increase its specific surface area between 100-800 m / g with respect to the same pure lignin fibers (Figure 3).
Además de la activación química inducida durante la etapa de carbonización, la presencia de un agente químico como el H3P04, y/o en forma de diferentes tipos de funcionalidades de fósforo, aumenta la resistencia a la oxidación del precursor carbonoso en transformación, de forma que permite llevar a cabo el proceso de carbonización en atmósferas oxidantes (conteniendo hasta un 5-10 % en 02, dependiendo de la temperatura, tiempo de tratamiento, diámetro de las fibras) igualmente hasta elevadas temperaturas (500-1000 °C) sin producir la gasificación total descontrolada (combustión) de los materiales fibrilares (Figura 4a) (rendimientos 5-30 %). Así, la elevada resistencia a la oxidación inducida por este tipo de especies químicas permite gasificar parcialmente (de forma controlada, según el tiempo, la temperatura, la cantidad de especie química introducida, el porcentaje de oxígeno) los materiales fibrilares carbonosos durante la etapa de carbonización y producir así otro desarrollo extra de la porosidad. En particular, para materiales fibrilares preparados a partir de lignina como precursor y tan solo un 30 % másico inicial de H3P04, la carbonización a 900°C en atmósferas N2/O2 con un 3-4 % en 02 da lugar a estructuras fibrilares carbonosas lineales o interconectadas (dependiendo de la velocidad de la etapa de estabilización) con un área superficial en tomo a 2000- 2300 m g, aproximadamente el triple que en ausencia de dicho agente activante (Figura 3). Al aumentar el grado de gasificación aumenta el tamaño medio de los poros, aumentando por tanto la proporción de mesoporos. La gran novedad de este efecto que aquí se reivindica radica en que a elevadas temperaturas (normalmente por encima de 450 °C), y en ausencia de las especies o funcionalidades promotoras de resistencia a la oxidación), la reacción del 02 (incluso en pequeñas proporciones) con los materiales carbonosos (y sus precursores) se produce muy rápidamente y de manera descontrolada, de forma que no permite controlar el desarrollo de la porosidad y/o consume totalmente el material en poco tiempo, sobre todo en materiales de pequeñas dimensiones y mayor área expuesta (más reactivos). Puesto que el desarrollo de porosidad inducido mediante gasificación controlada con 02 es diferente (en mecanismo y propiedades inducidas) al producido por otros agentes de activación física, como por ejemplo, vapor de H20 o C02, cuya operación sí es factible a elevadas temperaturas (800-1000 °C), y puesto que normalmente no puede llevarse a cabo a temperaturas incluso por encima de 450 °C, el procedimiento de la presente invención se considera totalmente novedoso y único para poder llevar a cabo este tipo de reacciones, con desarrollo de porosidad específico del 02, a elevadas temperaturas en materiales con estructura fibrilar de pequeñas dimensiones. Además, y puesto que en el procedimiento que aquí se reivindica la etapa de estabilización puede llevarse a cabo con atmósferas conteniendo diferentes porcentajes de 02, el proceso de carbonización puede realizarse también en estas condiciones de forma directa aumentando la temperatura a continuación de la estabilización. Esto supone un proceso de gran novedad de la presente invención en el que sin cambiar de atmósfera pueden llevarse a cabo progresiva- y/o simultáneamente los procesos de estabilización, activación química, carbonización y gasificación parcial controlada con 02, con la correspondiente reducción en el tiempo, consumo energético y contaminación (asociada a dicho consumo) para producir materiales fibrilares carbonosos con propiedades avanzadas que también se reivindican en la presente invención. In addition to the chemical activation induced during the carbonization stage, the presence of a chemical agent such as H 3 P0 4 , and / or in the form of different types of phosphorus functionalities, increases the oxidation resistance of the carbonaceous transformation precursor, so that the carbonization process can be carried out in oxidizing atmospheres (containing up to 5-10% in 0 2 , depending on the temperature, treatment time, diameter of the fibers) also up to high temperatures (500-1000 ° C ) without producing total uncontrolled gasification (combustion) of the fibrillar materials (Figure 4a) (yields 5-30%). Thus, the high resistance to oxidation induced by this type of chemical species allows to partially gasify (in a controlled manner, according to time, temperature, the amount of chemical species introduced, the percentage of oxygen) the carbonaceous fibrillar materials during the stage of carbonization and thus produce another extra development of porosity. In particular, for fibrillar materials prepared from lignin as a precursor and only an initial 30% mass of H 3 P0 4 , carbonization at 900 ° C in N2 / O2 atmospheres with 3-4% at 0 2 results in Linear or interconnected carbonaceous fibrillar structures (depending on the speed of the stabilization stage) with a surface area in the volume of 2000-2300 mg, approximately triple that in the absence of said activating agent (Figure 3). Increasing the degree of gasification increases the average pore size, thereby increasing the proportion of mesopores. The great novelty of this effect that is claimed here is that at high temperatures (usually above 450 ° C), and in the absence of the species or functionalities promoting oxidation resistance), the reaction of 0 2 (even in small proportions) with carbonaceous materials (and their precursors) it is produced very quickly and in an uncontrolled manner, so that it does not allow controlling the development of porosity and / or consumes the material in a short time, especially in small-sized materials and older exposed area (more reagents). Since the development of porosity induced by gasification controlled with 0 2 is different (in mechanism and induced properties) from that produced by other physical activation agents, such as, for example, steam of H 2 0 or C0 2 , the operation of which is feasible at high temperatures (800-1000 ° C), and since it cannot normally be carried out at temperatures even above 450 ° C, the process of the present invention is considered totally novel and unique in order to carry out this type of reaction , with development of specific porosity of 0 2 , at high temperatures in materials with fibrillar structure of small dimensions. In addition, and since in the process claimed here the stabilization step can be carried out with atmospheres containing different percentages of 0 2 , the carbonization process can also be carried out under these conditions directly by increasing the temperature following stabilization. . This implies a process of great novelty of the present invention in which, without changing the atmosphere, the stabilization, chemical activation, carbonization and partial gasification processes controlled with 0 2 can be carried out progressively and simultaneously, with the corresponding reduction in the time, energy consumption and pollution (associated with said consumption) to produce carbonaceous fibrillar materials with advanced properties that are also claimed in the present invention.
Por otro lado, el aumento en la resistencia a la oxidación inducido por las especies químicas que aquí se reivindican no sólo puede aprovecharse durante el calentamiento de la etapa de carbonización, sino que determinadas funcionalidades de fósforo (hasta un 15 % másico) quedan fuertemente retenidas en la estructura carbonosa (permanecen tras lavado exhaustivo en agua a 60 °C - (Figura 5) e inducen también un aumento de la resistencia a la oxidación después de carbonizar los materiales fibrilares (Figura 4b). Por ejemplo, para materiales fibrilares preparados a partir de lignina como precursor y tan solo un 30 % másico inicial de H3P04, carbonizados a 900°C en atmósferas N2/02 con un 3-4 % en 02, la gasificación no comienza hasta temperaturas por encima de 600 °C (Figura 4b). Por consiguiente, la elevada resistencia a la oxidación que se reivindica en la presente invención para llevar a cabo gasificación controlada con 02 a elevadas temperaturas de materiales fibrilares de pequeñas dimensiones puede llevarse a cabo no solo durante la etapa de carbonización, sino también, posteriormente tras dicho proceso como etapa adicional. Como agentes químicos para aumentar la resistencia a la oxidación y/o permitir un proceso gasificación parcial durante o tras la etapa de carbonización se pueden usar compuestos conteniendo fósforo (ácidos fosfórico, metafosfórico, pirofosfórico, fosforoso, fosfónico, fosfonoso, fosfínico, fosfinoso o sus sales, polifosfatos, polifosfonatos o sales de fosfonio, fosfinas y óxidos de fosfina) o boro (ácido bórico, óxido bórico, bórax, metaborato sódico, tetraborato sódico, metaborato de litio, pentaborato de litio, tetraborato de litio, metaborato potásico, tetraborato potásico). On the other hand, the increase in oxidation resistance induced by the chemical species claimed here can not only be used during the heating of the carbonization stage, but certain phosphorus functionalities (up to 15% mass) are strongly retained. in the carbon structure (they remain after thorough washing in water at 60 ° C - (Figure 5) and also induce an increase in oxidation resistance after carbonizing the fibrillar materials (Figure 4b). For example, for fibrillar materials prepared to from lignin as a precursor and only 30% mass initial H 3 P0 4 of, carbonized at 900 ° C in an atmosphere N 2/0 2 0 3-4% in 2 gasification does not begin until temperatures above 600 ° C (Figure 4b) Accordingly, the high oxidation resistance claimed in the present invention to carry out controlled gasification with 0 2 at high material temperatures It is fibrillar of small dimensions can be carried out not only during the carbonization stage, but also, subsequently after said process as an additional stage. As chemical agents to increase the resistance to oxidation and / or allow a partial gasification process during or after the carbonization stage, phosphorus-containing compounds (phosphoric, metaphosphoric, pyrophosphoric, phosphorous, phosphonic, phosphonous, phosphine, phosphine or their compounds can be used salts, polyphosphates, polyphosphonates or phosphonium salts, phosphines and phosphine oxides) or boron (boric acid, boric oxide, borax, sodium metaborate, sodium tetraborate, lithium metaborate, lithium pentaborate, lithium tetraborate, potassium metaborate, potassium tetraborate ).
Otros compuestos que contienen (y pueden introducir) fósforo serían triamida fosforotioica, triamida fosfórica, triamida Ν,Ν',Ν''-trimetilfosfórica, diamida (clorometil)fosfonotiónica, trimetil fosfato, trietil fosfato, dietil metilfosforamidato, dietil etilfosforamidato, dietil isopropilfosforamidato, diamida metilfosfónica, y mezclas de ellos (encontrados en algunas patentes para aumentar el efecto retardante de llama)  Other compounds containing (and may introduce) phosphorus would be phosphorothioic triamide, phosphoric triamide, triamide Ν, Ν ', Ν' '- trimethylphosphoric, diamide (chloromethyl) phosphonotionic, trimethyl phosphate, triethyl phosphate, diethyl methylphosphoramidate, diethyl ethylphosphoramide, diethyl methylphosphonic diamide, and mixtures thereof (found in some patents to increase the flame retardant effect)
Figure imgf000038_0001
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— — '  - - '
G = -OR, A* G = -OR, A *
L = radicales alquilo (1 a 4 át. de C), radicales alquilo halogenados (1 a 4 át. de C) z= o, s  L = alkyl radicals (1 to 4 at. Of C), halogenated alkyl radicals (1 to 4 at. Of C) z = o, s
Considerando los diferentes efectos ventajosos de las especies químicas en el proceso de estabilización, activación química y resistencia a la oxidación que se reivindican en la presente invención, y la consecuente gran versatilidad de condiciones experimentales (velocidades de calentamiento, temperaturas, tiempos y atmósferas) a la hora de poder llevar a cabo los procesos de estabilización y carbonización, el proceso térmico de transformación de los precursores fibrilares en las correspondientes estructuras fibrilares carbonosas puede llevarse a cabo en 1 a 3 etapas (2 a 4 etapas para el proceso global, considerando la etapa previa de electrohilado) a través de 6 procesos diferentes según las siguientes modalidades: a) 1 etapa: una única etapa de calentamiento utilizando una única atmósfera: Considering the different advantageous effects of chemical species in the process of stabilization, chemical activation and oxidation resistance that are claimed in the present invention, and the consequent great versatility of experimental conditions (heating rates, temperatures, times and atmospheres) a When it is possible to carry out the stabilization and carbonization processes, the thermal process of transformation of the fibrillar precursors into the corresponding carbonaceous fibrillar structures can be carried out in 1 to 3 stages (2 to 4 stages for the overall process, considering the previous electrowinning stage) through 6 different processes according to the following modalities: a) 1 stage: a single stage of heating using a single atmosphere:
- inerte (N2), comprendiendo los procesos de estabilización + activación química + carbonización. - inert (N 2 ), comprising the processes of stabilization + chemical activation + carbonization.
- oxidante (mezclas N2/02 con hasta un 5 % en 02), comprendiendo los procesos de estabilización + activación química + carbonización + gasificación parcial. - oxidising (mixtures N 2/0 2 with up to 5% 0 2) comprising stabilization processes + chemical activation + + partial carbonization gasification.
b) 2 etapas: una etapa de estabilización seguida de una de carbonización, llevadas a cabo en atmósferas diferentes: b) 2 stages: a stabilization stage followed by a carbonization stage, carried out in different atmospheres:
- oxidante (aire o cualquier mezcla N2/02) + inerte (N2), comprendiendo los procesos de estabilización (oxidante) + activación química (inerte) + carbonización (inerte). - oxidising (air or any mixture N 2/0 2) + inert (N 2), the stabilization process (oxidant) + chemical activation comprising (inert) + carbonization (inert).
- inerte (N2) + oxidante (mezclas N2/02 con hasta un 5 % en 02), comprendiendo los procesos de estabilización (inerte) + activación química (oxidante) + carbonización (oxidante) + gasificación parcial (oxidante), respectivamente. - inert (N 2) + oxidant (mixture N 2/0 2 with up to 5% 0 2) stabilization processes (inert) + chemical activation (oxidant) + carbonization (oxidant) + partial gasification comprising (oxidant) respectively.
c) 2 etapas: dos etapas consistentes en una etapa de estabilización-carbonización en atmósfera inerte (N2) (modalidad (a)), seguida de una etapa posterior de gasificación parcial en atmósfera oxidante (mezclas N2/02 con hasta un 5 % en 02). c) two steps: two steps consisting of a step of stabilization-carbonization in an inert atmosphere (N 2) (mode (a)), followed by a subsequent step of partial gasification in an oxidizing atmosphere (mixtures N 2/0 2 up 5% in 0 2 ).
d) 3 etapas: tres etapas sucesivas de estabilización, carbonización y gasificación parcial llevadas a cabo en atmósferas diferentes, comprendiendo los procesos de estabilización (oxidante (aire o cualquier mezcla N2/02)) + activación química (inerte) + carbonización (inerte) + gasificación parcial (oxidante (mezclas N2/02 con hasta un 5 % en 02)), respectivamente. d) 3 stages: three successive stages of stabilization, carbonization and partial gasification carried out in different atmospheres, stabilization processes (oxidant (air or any mixture N 2/0 2)) + chemical activation comprising (inert) + carbonization ( inert) + partial gasification (oxidant (mixture N 2/0 2 with up to 5% 0 2)), respectively.

Claims

Procedimiento de obtención de partículas y materiales carbonosos con propiedades optimizadas caracterizado por comprender el electroesprayado o el electrohilado de una mezcla de al menos un tipo de precursor carbonoso y al menos un tipo agente químico, dicho agente químico afectando a la reactividad química de dicho precursor carbonoso durante su tratamiento térmico de estabilización y carbonización. Process for obtaining particles and carbonaceous materials with optimized properties characterized by comprising the electrospray or electro-spinning of a mixture of at least one type of carbonaceous precursor and at least one type chemical agent, said chemical agent affecting the chemical reactivity of said carbonaceous precursor during its heat treatment of stabilization and carbonization.
Procedimiento según la reivindicación anterior caracterizado por que el al menos un tipo de agente químico comprendido en la mezcla para la funcionalización homogénea del precursor carbonoso es un agente químico adecuado para acelerar y/u optimizar la etapa de estabilización. Method according to the preceding claim characterized in that the at least one type of chemical agent included in the mixture for the homogeneous functionalization of the carbonaceous precursor is a chemical agent suitable for accelerating and / or optimizing the stabilization step.
Procedimiento según la reivindicación anterior caracterizado por que el al menos un tipo de agente químico es un ácido o una base inorgánicos con carácter deshidratante, por ejemplo ácido fosfórico y derivados, ácido sulfúrico, ácido hidroclórico, ácido nítrico, ácido metano sulfónico, ácido sulfónico aromático, ácidos carboxílicos y alcoholes, así como sus correspondientes sales o ésteres.  Process according to the preceding claim characterized in that the at least one type of chemical agent is an inorganic acid or base with a dehydrating character, for example phosphoric acid and derivatives, sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, methane sulfonic acid, aromatic sulfonic acid , carboxylic acids and alcohols, as well as their corresponding salts or esters.
Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado por que el al menos un tipo de agente químico comprendido en la mezcla para la funcionalización homogénea del precursor carbonoso es un agente químico adecuado para inducir, acelerar y/u optimizar el proceso de activación química directa durante la etapa de carbonización. Procedimiento según la reivindicación anterior caracterizado por que el al menos un tipo de agente químico es un ácido inorgánico, como por ejemplo el fosfórico y sus derivados (por ejemplo, metafosfórico, pirofosfórico, fosforoso, fosfónico, fosfonoso, fosfínico, fosfinoso), el sulfúrico, el nítrico, o sus sales. Method according to claim 1 characterized in that the at least one type of chemical agent included in the mixture for the homogeneous functionalization of the carbonaceous precursor is a chemical agent suitable for inducing, accelerating and / or optimizing the process of direct chemical activation during the stage of carbonization. Process according to the preceding claim characterized in that the at least one type of chemical agent is an inorganic acid, such as phosphoric and its derivatives (for example, metaphosphoric, pyrophosphoric, phosphorous, phosphonic, phosphonous, phosphonic, phosphine), sulfuric , nitric, or its salts.
Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado por que el al menos un tipo de agente químico comprendido en la mezcla para la funcionalización homogénea del precursor carbonoso es un agente químico adecuado para aumentar la resistencia a la oxidación y/o permitir un proceso gasificación parcial durante o tras la etapa de carbonización. Process according to claim 1, characterized in that the at least one type of chemical agent included in the mixture for the homogeneous functionalization of the carbonaceous precursor is a chemical agent suitable for increasing oxidation resistance and / or allowing a partial gasification process during or after the carbonization stage.
Procedimiento según la reivindicación anterior caracterizado por que el al menos un tipo de agente químico es un compuesto que comprende (a) fósforo, por ejemplo ácido fosfórico, metafosfórico, pirofosfórico, fosforoso, fosfónico, fosfonoso, fosfínico, fosfinoso o sus sales, polifosfatos, polifosfonatos o sales de fosfonio, fosfinas y óxidos de fosfína, triamida fosforotioica, triamida fosfórica, triamida Ν,Ν',Ν''-trimetilfosfórica, diamida (clorometil)fosfonotiónica, trimetil fosfato, trietil fosfato, dietil metilfosforamidato, dietil etilfosforamidato, dietil isopropilfosforamidato, diamida metilfosfónica, y mezclas de ellos; o (b) boro, por ejemplo ácido bórico, óxido bórico, bórax, metaborato sódico, tetraborato sódico, metaborato de litio, pentaborato de litio, tetraborato de litio, metaborato potásico, tetraborato potásico. Process according to the preceding claim characterized in that the at least one type of chemical agent is a compound comprising (a) phosphorus, for example phosphoric, metaphosphoric, pyrophosphoric, phosphorous, phosphonic, phosphonous, phosphine, phosphine or its salts, polyphosphates, polyphosphonates or phosphonium salts, phosphines and phosphine oxides, phosphorothioic triamide, phosphoric triamide, triamide Ν, Ν ', Ν''- trimethylphosphoric, diamide (chloromethyl) phosphonotionic, trimethyl phosphate, triethyl phosphate, diethyl methylphosphoramidate, diethyl ethyl phosphoramidaphthiophosphide, diethyl mixtures from them; or (b) boron, for example boric acid, boric oxide, borax, sodium metaborate, sodium tetraborate, lithium metaborate, lithium pentaborate, lithium tetraborate, potassium metaborate, potassium tetraborate.
8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el electroesprayado o el electrohilado de dicha mezcla se realiza a temperatura ambiente.  Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the electrospray or electro-spinning of said mixture is carried out at room temperature.
9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que comprende la adición de polímeros facilitadores del electroesprayado o del electrohilado.  9. Method according to any of the preceding claims characterized in that it comprises the addition of electroplating or electrowinning facilitating polymers.
10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que comprende una única etapa, de calentamiento, utilizando una única atmósfera y comprendiendo dicha etapa los procesos de estabilización, activación química y carbonización.  Method according to any one of the preceding claims characterized in that it comprises a single stage, of heating, using a single atmosphere and said stage comprising the processes of stabilization, chemical activation and carbonization.
11. Procedimiento según la reivindicación anterior caracterizado por que la etapa de calentamiento se realiza en una atmósfera inerte (N2). 11. Method according to the preceding claim characterized in that the heating step is carried out in an inert atmosphere (N 2 ).
12. Procedimiento según la reivindicación 10 caracterizado por que la etapa de calentamiento se realiza en una atmósfera oxidante (mezclas N2/02 con hasta un 5 % en 02). 12. The process of claim 10 wherein the heating step is performed in an oxidizing atmosphere (N 2 mixtures / 0 2 with up to 5% 0 2).
13. Procedimiento según la reivindicación anterior caracterizado por que la etapa de calentamiento comprende además un proceso de gasificación parcial.  13. Method according to the preceding claim characterized in that the heating step further comprises a partial gasification process.
14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 9 caracterizado por que comprende dos etapas, una etapa de estabilización y una etapa de carbonización, que se realizan en atmósferas diferentes.  14. Method according to any of the preceding claims 1 to 9 characterized in that it comprises two stages, a stabilization stage and a carbonization stage, which are carried out in different atmospheres.
15. Procedimiento según la reivindicación anterior caracterizado por que la etapa de estabilización se realiza en una atmósfera oxidante (aire o cualquier mezcla N2/02), y la etapa de carbonización, que comprende un proceso previo de activación química, se realiza en una atmósfera inerte (N2). 15. Method according to the preceding claim wherein the stabilizing step is performed in an oxidizing atmosphere (air or any mixture N 2/0 2), and the carbonization step, which comprises a prior chemical activation process, is performed in an inert atmosphere (N 2 ).
16. Procedimiento según la reivindicación 14 caracterizado por que la etapa de estabilización se realiza en una atmósfera inerte (N2), y la etapa de carbonización, comprendiendo proceso previo de activación química y un proceso posterior de gasificación parcial, se realiza en una atmósfera oxidante (mezclas Ν2/02 con hasta un 5 % en 02). 16. Method according to claim 14 characterized in that the stabilization stage is carried out in an inert atmosphere (N 2 ), and the carbonization stage, comprising prior chemical activation process and a subsequent process of partial gasification is performed in an oxidizing atmosphere (mixtures Ν 2/0 2 to 5% 0 2).
17. Procedimiento según la reivindicación 14 caracterizado por que la etapa de estabilización se realiza en una atmósfera oxidante (aire o cualquier mezcla N2/02), y la etapa de carbonización, comprendiendo un proceso previo de activación química, en una atmósfera oxidante diferente a la empleada para la etapa de estabilización (cualquier mezcla N2/02 diferente a la empleada para la etapa de estabilización).17. The process of claim 14 wherein the stabilizing step is performed in an oxidizing atmosphere (air or any mixture N 2/0 2), and the carbonization step, comprising a prior chemical activation process, in an oxidizing atmosphere different from that used for the stabilization step (any mixture N 2/0 2 different from that used for the stabilization step).
18. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 9 caracterizado por que comprende dos etapas, una etapa de estabilización- carbonización y una etapa de gasificación parcial posterior. 18. Method according to any of the preceding claims 1 to 9 characterized in that it comprises two stages, a stabilization-carbonization stage and a subsequent partial gasification stage.
19. Procedimiento según la reivindicación anterior caracterizado por que la etapa de estabilización-carbonización se realiza en una atmósfera inerte (N2), y la etapa de gasificación parcial se realiza en una atmósfera oxidante (mezclas N2/02 con hasta un 5 % en 02). 19. Method according to the preceding claim characterized in that the stabilization-carbonization step is performed in an inert atmosphere (N 2), and the step of partial gasification is performed in an oxidizing atmosphere (N 2 mixtures / 0 2 to 5 % in 0 2 ).
20. Procedimiento según la reivindicación 18 caracterizado por que las etapas de estabilización-carbonización y de gasificación parcial se realizan en una atmósfera oxidante (mezclas N2/02 con hasta un 5 % en 02). 20. The process of claim 18 wherein the steps of stabilization-carbonization and partial gasification is performed in an oxidizing atmosphere (N 2 mixtures / 0 2 with up to 5% 0 2).
21. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 9 caracterizado por que comprende tres etapas, una etapa de estabilización- carbonización y una etapa de gasificación parcial posterior.  21. Method according to any one of the preceding claims 1 to 9 characterized in that it comprises three stages, a stabilization-carbonization stage and a subsequent partial gasification stage.
22. Procedimiento según la reivindicación anterior caracterizado por que dichas tres etapas se realizan en atmósferas diferentes.  22. Method according to the preceding claim characterized in that said three stages are carried out in different atmospheres.
23. Procedimiento según la reivindicación anterior caracterizado por que la etapa de estabilización se realiza en una atmósfera oxidante (aire o cualquier mezcla N2/02); la etapa de carbonización, comprendiendo una etapa previa de activación química, se realiza en una atmósfera inerte (N2); y la etapa de gasificación parcial se realiza en una atmósfera oxidante (mezclas N2/02 con hasta un 5 % en 02). 23. Method according to the preceding claim wherein the stabilizing step is performed in an oxidizing atmosphere (air or any mixture N 2/0 2); the carbonization stage, comprising a previous stage of chemical activation, is carried out in an inert atmosphere (N 2 ); and the step of partial gasification is performed in an oxidizing atmosphere (N 2 mixtures / 0 2 with up to 5% 0 2).
24. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 13, 16, 18, 19, 20, 21, 22 ó 23 caracterizado por que previo a la etapa o al proceso de gasificación parcial se dejan enfriar a temperatura ambiente las partículas o el material fruto de etapas previas. 24. Method according to any of claims 13, 16, 18, 19, 20, 21, 22 or 23 characterized in that, prior to the stage or the partial gasification process, the particles or the fruit resulting from stages are allowed to cool to room temperature previous.
25. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el al menos un tipo de precursor carbonoso comprendido en la mezcla es de origen sintético, como por ejemplo PBO, nylon o kevlar. 25. Method according to any of the preceding claims characterized in that the at least one type of carbonaceous precursor included in the mixture is of synthetic origin, such as for example PBO, nylon or kevlar.
26. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 24 caracterizado por que el al menos un tipo precursor carbonoso es de origen natural, dicho precursor carbonoso (a) obtenido a partir de biomasa, por ejemplo mediante pirólisis o licuefacción de compuestos orgánicos naturales; (b) de origen vegetal, por ejemplo resinas o ligninas; o (c) de origen fósil, por ejemplo breas o PAN.  26. Process according to any one of claims 1 to 24 characterized in that the at least one carbonaceous precursor type is of natural origin, said carbonaceous precursor (a) obtained from biomass, for example by pyrolysis or liquefaction of natural organic compounds; (b) of plant origin, for example resins or lignins; or (c) of fossil origin, for example breas or PAN.
27. Procedimiento según la reivindicación anterior caracterizado por que el al menos un precursor carbonoso de origen vegetal es de tipo resina, comprendiendo una o más clases de resinas.  27. Method according to the preceding claim characterized in that the at least one carbonaceous precursor of plant origin is of the resin type, comprising one or more kinds of resins.
28. Procedimiento según la reivindicación 26 caracterizado por que el al menos un precursor carbonoso de origen vegetal es de tipo lignina, comprendiendo una o más clases de ligninas.  28. A method according to claim 26, characterized in that the at least one carbonaceous precursor of plant origin is of the lignin type, comprising one or more classes of lignins.
29. Procedimiento según la reivindicación anterior caracterizado por que el al menos un precursor carbonoso de origen vegetal de tipo lignina comprendiendo lignina obtenida mediante el método Alcell. 29. Method according to the preceding claim characterized in that the at least one carbonaceous precursor of plant origin of the lignin type comprising lignin obtained by the Alcell method.
30. Procedimiento según la reivindicación 28 caracterizado por que el al menos un precursor carbonoso de origen vegetal de tipo lignina comprendiendo lignina obtenida mediante un método distinto al método Alcell utilizando para ello disolventes orgánicos adecuados, tales como alcoholes, ácidos orgánicos (por ejemplo, ácido fórmico, ácido acético, etc.), fenol, cresoles, acetato de etilo, aminas y su óxidos, cetonas, dioxano, o DMSO.  30. The method according to claim 28, characterized in that the at least one carbonaceous precursor of plant origin of the lignin type comprising lignin obtained by a method other than the Alcell method using suitable organic solvents, such as alcohols, organic acids (for example, acid formic, acetic acid, etc.), phenol, cresols, ethyl acetate, amines and their oxides, ketones, dioxane, or DMSO.
31. Procedimiento según la reivindicación 29 caracterizado por comprender una mezcla de lignina obtenida mediante el método Alcell así como H3P04 como agente químico, consistente en la disolución de una mezcla lignina/H3P04 en un disolvente adecuado, donde la proporción de lignina en la mezcla varía entre un 25% a un 99% en masa de la masa de H3P04, y donde la proporción de lignina en la disolución varía entre un 10% y un 90% en masa de la masa de disolvente. 31. A method according to claim 29 characterized in that it comprises a mixture of lignin obtained by the Alcell method as well as H 3 P0 4 as a chemical agent, consisting of the dissolution of a lignin / H 3 P0 4 mixture in a suitable solvent, where the proportion of lignin in the mixture varies between 25% to 99% by mass of the mass of H 3 P0 4 , and where the proportion of lignin in the solution varies between 10% and 90% by mass of the solvent mass .
32. Procedimiento según la reivindicación anterior caracterizado por que el disolvente adecuado es etanol. 32. Method according to the preceding claim characterized in that the suitable solvent is ethanol.
33. Procedimiento según la reivindicación 30 caracterizado por comprender una mezcla de lignina no obtenida mediante el método Alcell así como H3P04 como agente químico, consistente en la disolución de una mezcla lignina/H3P04 en un disolvente adecuado como por ejemplo etanol, propanol, acetona o agua. 33. Method according to claim 30 characterized in that it comprises a mixture of lignin not obtained by the Alcell method as well as H 3 P0 4 as agent chemical, consisting of dissolving a lignin / H 3 P0 4 mixture in a suitable solvent such as ethanol, propanol, acetone or water.
34. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 24 caracterizado por comprender una mezcla de dos o más tipos de precursores carbonosos y al menos un tipo de agente químico,  34. A method according to any one of claims 1 to 24 characterized in that it comprises a mixture of two or more types of carbonaceous precursors and at least one type of chemical agent,
i. dichos dos o más tipos de precursores carbonosos comprendiendo (a) una o más clases de precursores carbonosos tipo lignina conforme a las reivindicaciones 29 ó 30, además de una o más clases de precursores carbonosos tipo resina y/o una o más clases de precursores tipo brea; (b) una o más clases de precursores carbonosos tipo resina, además de una o más clases de precursores carbonosos tipo lignina conforme a las reivindicaciones 29 ó 30 y/o una o más clases de precursores tipo brea; o (c) una o más clases de precursores tipo brea, además de una o más clases de precursores carbonosos tipo resina y/o una o más clases de precursores tipo lignina conforme a las reivindicaciones 29 ó 30; y  i. said two or more types of carbonaceous precursors comprising (a) one or more classes of lignin carbonaceous precursors according to claims 29 or 30, in addition to one or more classes of resin-type carbonaceous precursors and / or one or more kinds of type precursors pitch; (b) one or more kinds of carbonaceous resin precursors, in addition to one or more classes of carbonaceous lignin precursors according to claims 29 or 30 and / or one or more kinds of pitch precursors; or (c) one or more kinds of pitch type precursors, in addition to one or more classes of carbonaceous resin type precursors and / or one or more classes of lignin type precursors according to claims 29 or 30; Y
ii. dicho al menos un tipo de agente químico conforme a cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7.  ii. said at least one type of chemical agent according to any of claims 2 to 7.
35. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 24 caracterizado por comprender una mezcla de al menos un tipo de precursor carbonoso y dos o más tipos de agentes químicos,  35. A method according to any one of claims 1 to 24 characterized in that it comprises a mixture of at least one type of carbonaceous precursor and two or more types of chemical agents,
i. dicho al menos un tipo de precursor carbonoso conforme a cualquiera de las reivindicaciones 25 a 30; y  i. said at least one type of carbonaceous precursor according to any one of claims 25 to 30; Y
ii. dichos dos o más tipos de agentes químicos comprendiendo (a) un tipo de agente químico conforme a las reivindicaciones 2 ó 3, además de un tipo de agente químico conforme a las reivindicaciones 4 ó 5 y/o de un tipo de agente químico conforme a las reivindicaciones 6 ó 7; (b) un tipo de agente químico conforme a las reivindicaciones 4 ó 5, además de un tipo de agente químico conforme a las reivindicaciones 2 ó 3 y/o de un tipo de agente químico conforme a las reivindicaciones 6 ó 7; o (c) un tipo de agente químico conforme a las reivindicaciones 6 ó 7, además de un tipo de agente químico conforme a las reivindicaciones 2 ó 3 y/o de un tipo de agente químico conforme a las reivindicaciones 4 ó 5. ii. said two or more types of chemical agents comprising (a) a type of chemical agent according to claims 2 or 3, in addition to a type of chemical agent according to claims 4 or 5 and / or a type of chemical agent according to claims 6 or 7; (b) a type of chemical agent according to claims 4 or 5, in addition to a type of chemical agent according to claims 2 or 3 and / or a type of chemical agent according to claims 6 or 7; or (c) a type of chemical agent according to claims 6 or 7, in addition to a type of chemical agent according to claims 2 or 3 and / or a type of chemical agent according to claims 4 or 5.
36. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 24 caracterizado por comprender una mezcla de dos o más tipos de precursores carbonosos y de dos o más tipos de agentes químicos, 36. A method according to any one of claims 1 to 24 characterized in that it comprises a mixture of two or more types of carbonaceous precursors and two or more types of chemical agents,
i. dichos dos o más tipos de precursores carbonosos comprendiendo (a) una o más clases de precursores carbonosos tipo lignina conforme a las reivindicaciones 29 ó 30, además de una o más clases de precursores carbonosos tipo resina y/o una o más clases de precursores tipo brea; (b) una o más clases de precursores carbonosos tipo resina, además de una o más clases de precursores carbonosos tipo lignina conforme a las reivindicaciones 24 ó 30 y/o una o más clases de precursores tipo brea; o (c) una o más clases de precursores tipo brea, además de una o más clases de precursores carbonosos tipo resina y/o una o más clases de precursores tipo lignina conforme a las reivindicaciones 29 ó 30; y  i. said two or more types of carbonaceous precursors comprising (a) one or more classes of lignin carbonaceous precursors according to claims 29 or 30, in addition to one or more classes of resin-type carbonaceous precursors and / or one or more kinds of type precursors pitch; (b) one or more kinds of carbonaceous resin precursors, in addition to one or more classes of carbonaceous lignin precursors according to claims 24 or 30 and / or one or more kinds of pitch type precursors; or (c) one or more kinds of pitch type precursors, in addition to one or more classes of carbonaceous resin type precursors and / or one or more classes of lignin type precursors according to claims 29 or 30; Y
ii. dichos dos o más tipos de agentes químicos comprendiendo (a) un tipo de agente químico conforme a las reivindicaciones 2 ó 3, además de un tipo de agente químico conforme a las reivindicaciones 4 ó 5 y/o de un tipo de agente químico conforme a las reivindicaciones 6 ó 7 (b) un tipo de agente químico conforme a las reivindicaciones 4 ó 5, además de un tipo de agente químico conforme a las reivindicaciones 1 ó 2 y/o de un tipo de agente químico conforme a las reivindicaciones 6 ó 7; o (c) un tipo de agente químico conforme a las reivindicaciones 6 ó 7, además de un tipo de agente químico conforme a las reivindicaciones 2 ó 3 y/o de un tipo de agente químico conforme a las reivindicaciones 4 ó 5.  ii. said two or more types of chemical agents comprising (a) a type of chemical agent according to claims 2 or 3, in addition to a type of chemical agent according to claims 4 or 5 and / or a type of chemical agent according to claims 6 or 7 (b) a type of chemical agent according to claims 4 or 5, in addition to a type of chemical agent according to claims 1 or 2 and / or a type of chemical agent according to claims 6 or 7; or (c) a type of chemical agent according to claims 6 or 7, in addition to a type of chemical agent according to claims 2 or 3 and / or a type of chemical agent according to claims 4 or 5.
37. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 36 caracterizado por comprender el uso de un dispositivo conforme al descrito en el documento de patente ES2326455A1, de forma que la mezcla de al menos un precursor carbonoso y al menos un agente químico, debidamente disuelta mediante un disolvente oportuno, se fuerza a través de un tubo capilar localizado en el interior de otro tubo capilar concéntrico con él; donde un disolvente apropiado se fuerza a través del espacio anular existente entre ambos tubos; donde al aplicar una diferencia de potencial entre los tubos capilares (conectados al mismo potencial) y un electrodo de referencia se forma un menisco electrificado consistente en el menisco cónico de la disolución precursora y una capa de disolvente que lo rodea; donde aguas abajo del menisco electrificado se forma un chorro coaxial consistente en el chorro de la disolución rodeado por la capa de disolvente; donde la distancia entre el extremo del capilar interior y el electrodo de referencia varía entre 1 mm y 1 m; donde la diferencia de potencial aplicado entre ambos electrodos varía entre IV y 100 kV; donde los caudales de la disolución y el disolvente que circulan por los capilares están comprendidos entre 0.001 ml/h y 10000 ml/h; donde el diámetro del chorro coaxial está comprendido entre 900 mieras y 5 nanómetros. 37. Method according to any one of claims 1 to 36 characterized in that it comprises the use of a device according to that described in patent document ES2326455A1, such that the mixture of at least one carbonaceous precursor and at least one chemical agent, duly dissolved by a suitable solvent is forced through a capillary tube located inside another capillary tube concentric with it; where an appropriate solvent is forced through the annular space between the two tubes; where, when applying a potential difference between the capillary tubes (connected to the same potential) and a reference electrode, an electrified meniscus is formed consisting of the conical meniscus of the precursor solution and a surrounding solvent layer; where downstream of the electrified meniscus a coaxial jet consisting of the jet of the solution is formed surrounded by the solvent layer; where the distance between the end of the inner capillary and the reference electrode varies between 1 mm and 1 m; where the potential difference applied between both electrodes varies between IV and 100 kV; where the flow rates of the solution and the solvent circulating in the capillaries are between 0.001 ml / h and 10000 ml / h; where the diameter of the coaxial jet is between 900 microns and 5 nanometers.
38. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 36 caracterizado por comprender el uso de un dispositivo conforme al descrito en el documento de patente ES2326455A1, de forma que la mezcla de al menos un precursor carbonoso y al menos un agente químico, debidamente disuelta mediante un disolvente oportuno, se fuerza a través del espacio anular intermedio que dejan tres tubos capilares situados de modo concéntrico; donde por el tubo más interior se fuerza un líquido inerte, que no cambia de fase durante el proceso; donde un disolvente volátil, apropiado, se fuerza a través del espacio anular existente entre los dos tubos más exteriores; donde al aplicar una diferencia de potencial entre los tubos capilares (conectados al mismo potencial) y un electrodo de referencia se forma un menisco electrificado con una estructura en la que el menisco cónico de la disolución precursora está rodeado por una capa de disolvente y contiene en su interior el menisco de líquido inerte; donde los chorros que emanan de los vértices de los meniscos dan lugar a un chorro coaxial de tres líquidos en los que la disolución precursora rodea al líquido inerte y es a su vez rodeada por una capa de disolvente; donde la distancia entre el extremo del capilar interior y el electrodo de referencia varía entre 1 mm y 1 m; donde la diferencia de potencial aplicado entre ambos electrodos varía entre IV y 100 kV; donde los caudales de la disolución y el disolvente que circulan por los capilares están comprendidos entre 0.001 ml/h y 10000 ml/h; donde el diámetro del chorro coaxial está comprendido entre 900 mieras y 5 nanómetros.  38. Method according to any one of claims 1 to 36 characterized in that it comprises the use of a device according to that described in patent document ES2326455A1, such that the mixture of at least one carbonaceous precursor and at least one chemical agent, duly dissolved by a suitable solvent is forced through the intermediate annular space left by three capillary tubes located concentrically; where an inert liquid is forced through the innermost tube, which does not change phase during the process; where an appropriate volatile solvent is forced through the annular space between the two outermost tubes; where by applying a potential difference between the capillary tubes (connected to the same potential) and a reference electrode an electrified meniscus is formed with a structure in which the conical meniscus of the precursor solution is surrounded by a solvent layer and contains inside the meniscus of inert liquid; where the jets emanating from the vertices of the menisci give rise to a coaxial jet of three liquids in which the precursor solution surrounds the inert liquid and is in turn surrounded by a solvent layer; where the distance between the end of the inner capillary and the reference electrode varies between 1 mm and 1 m; where the potential difference applied between both electrodes varies between IV and 100 kV; where the flow rates of the solution and the solvent circulating in the capillaries are between 0.001 ml / h and 10000 ml / h; where the diameter of the coaxial jet is between 900 microns and 5 nanometers.
39. Procedimiento según la reivindicación anterior caracterizado por que el líquido inerte se sustituye por otro, por ejemplo un polímero o un sol-gel, etc., capaz de solidificar.  39. Method according to the preceding claim characterized in that the inert liquid is replaced by another, for example a polymer or a sol-gel, etc., capable of solidifying.
40. Partículas y materiales carbonosos con propiedades optimizadas obtenidos mediante un procedimiento conforme cualquiera de las reivindicaciones anteriores.  40. Particles and carbonaceous materials with optimized properties obtained by a method according to any of the preceding claims.
41. Uso de las partículas y materiales carbonosos con propiedad optimizadas obtenidos mediante un procedimiento conforme cualquiera de las reivindicaciones 1 a 39 como adsorbentes, catalizadores, soporte de catalizadores y/o electrodos en supercondensadores, baterías, pilas de combustible, sensores y/u otras aplicaciones electroquímicas. 41. Use of optimized property particles and carbonaceous materials obtained by a method according to any one of claims 1 to 39 as adsorbents, catalysts, support of catalysts and / or electrodes in supercapacitors, batteries, fuel cells, sensors and / or other electrochemical applications.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US11370665B2 (en) 2017-04-06 2022-06-28 Beyonder As Method for producing activated carbon

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111137876A (en) * 2019-12-24 2020-05-12 华中科技大学 Method for preparing boron-doped carbon nanospheres from lignin and product

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070142225A1 (en) * 2005-12-16 2007-06-21 Baker Frederick S Activated carbon fibers and engineered forms from renewable resources
ES2326455A1 (en) * 2007-11-27 2009-10-09 Universidad De Sevilla Method for the ambient-temperature production of micro- and nano-fibres of lignin and other resinous compounds
US20120251925A1 (en) * 2009-12-09 2012-10-04 Nisshinbo Holdings Inc. Flexible carbon fiber nonwoven fabric

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070142225A1 (en) * 2005-12-16 2007-06-21 Baker Frederick S Activated carbon fibers and engineered forms from renewable resources
ES2326455A1 (en) * 2007-11-27 2009-10-09 Universidad De Sevilla Method for the ambient-temperature production of micro- and nano-fibres of lignin and other resinous compounds
US20120251925A1 (en) * 2009-12-09 2012-10-04 Nisshinbo Holdings Inc. Flexible carbon fiber nonwoven fabric

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M. LAVALLE ET AL.: "Filled and hollow carbon nanofibers by coaxial electrospinning of Alcell lignin without binder polymers", ADVANCED MATERIALS, vol. 19, 2007, pages 4292 - 4296, XP055032603 *
R. BERENGUER ET AL.: "Effect of phosphorous groups on the stabilization and activation of low-cost lignin fibers prepared by electrospinning", UBIOCHEM (4TH INTERNATIONAL WORKSHOP OF COAST ACTION CM0903, 2013 OCTOBER 14 -16, 25 November 2013 (2013-11-25), Valencia (España)., XP055246769, Retrieved from the Internet <URL:http://riuma.uma.es/xmlui/bitstream/handle/10630/6660/UBIOCHEM%20IV_Berenguer_4.pdf?sequence=3> [retrieved on 20150302] *
R. RUIZ- ROSAS ET AL.: "The production of submicron diameter carbon fibers by the electrospinning of lignin", CARBON, vol. 48, 2010, pages 696 - 705, XP026804740 *
X. XU ET AL.: "Porous core-shell carbon fibers derived from lignin and cellulose nanofibrils", MATERIAL LETTERS, vol. 109, 2013, pages 175 - 178, XP028706094 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11370665B2 (en) 2017-04-06 2022-06-28 Beyonder As Method for producing activated carbon

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