一种以藻类植物为碳源制备多级结构碳材料的方法技术

一种以藻类为碳源制备多级结构碳材料的方法，以藻类作为碳源，将其在金属镍盐水溶液中浸泡，冷冻干燥处理后进行低温碳化，再经高温石墨化，最后通水蒸气进行活化处理，得到具有多级结构碳材料。碳化处理使藻类转变成碳，为纳米碳材料的生长提供碳源，同时金属镍盐转化为氧化镍均匀分散于碳材料表面。高温处理过程中金属氧化镍转变为镍纳米颗粒，有利于碳材料的催化石墨化，提高多级结构碳材料的有序度。活化处理，有助于调控碳材料表面孔隙的大小和结构。本发明专利技术提供的多级结构碳材料制备方法操作过程简单，制备周期短，原料易得，成本低，相关产物具有比表面积高，石墨化程度高的特点，可以在锂离子电池和超级电容器中应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于生物质碳材料制备
，具体涉及一种以藻类植物为碳源制备多级结构碳材料的方法。
技术介绍
碳材料是重要的结构材料和功能材料，其因优良的耐热性能、高导热系数、良好化学惰性、高电导率等优点，而被广泛应用于冶金、化工、机械、电子、航空等领域。近年来，由于化石资源的紧缺，碳材料的发展和应用受到了极大的限制。生物质可再生资源如林业生物质、农业废弃物和水生植物等成为化石资源的替代物。并且绝大多数生物质资源都含有丰富的碳元素，是制备各种碳材料的丰富原料。近年来，人们在制备高质量和高产率的碳材料的同时，提出了碳材料的绿色低碳环保的新工艺，如采用天然生物质材料作为碳源与活化剂来制备新型碳材料。陈接胜课题组以稻草秆为原料，通过碳化和活化将稻草转变成了具有等级结构的多孔碳材料，这种碳材料保持了稻草秆原有的大孔孔道，活化过程在大孔孔壁上引入丰富的微孔孔道，从而形成了交叉的网络孔道结构。[Unambiguous Observation of Electron Transfer from a Zeolite Framework to Organic Molecules,Angew.Chem.Int.Ed.,2009,48,6678-6682.]。闻斌等将稻壳洗净，晾干，粉碎，经过100～120℃干燥后，在300～450℃氮气保护下碳化。冷却后经研磨，过100目筛，作为稻壳碳原料。将氢氧化钠和稻壳碳以质量比为3：1混合后置于瓷坩埚中，在600℃氮气保护下分别活化。制得的高比表面积活性碳孔径较小，主要以微孔为主。[稻壳多孔碳材料的电容性能及模型计算，高等学校化学学报，2013(34)，674-678]。申请号为201510427998.8的专利(一种以生物质为碳源制备多孔纳米碳材料的方法)将杏鲍菇在高温炉里预碳化，随后溶于含有活化剂的溶剂中，进行冷冻干燥处理，再将得到的中间产物放入高温炉里二次热处理。热处理得到的产物经酸溶液处理后，在真空干燥即可得到多孔纳米碳材料。申请号为201510441984.1(一种多孔碳材料及其制备方法)选用生物质乌拉草作为碳源，在不添加活化剂的情况下，利用生物质自身所含有的钾盐自活化，在惰性气体气流下，从室温缓慢程序升温至多孔材料的碳化温度T，并在保持惰性气体气流下，将温度控制在T±50摄氏度，碳化60～120分钟后，得多孔碳材料。上述所制备的多孔碳材料制备工艺过程复杂、周期长，而且孔结构比较单一。鉴于以上缺陷，实有必要提供一种可以解决以上技术问题的方法以制备一种多级结构碳材料。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种多级结构碳材料的制备方法，该制备方法操作过程简单，制备周期短，原料易得，成本低，并且能够制得多级结构碳材料，相关产物具有比表面积高，石墨化程度高的特点，可以在锂离子电池和超级电容器中应用。为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种以藻类植物为碳源制备多级结构碳材料的方法，包括以下步骤：1)将藻类植物浸泡在镍盐水溶液中，使镍盐溶液中离子附着在藻类植物上；2)将步骤1)浸泡完毕的藻类植物粉碎、离心得到前驱体，冷冻干燥后得到中间产物；3)将步骤2)得到的中间产物放入氩气气氛炉中，先进行低温碳化处理、再经高温石墨化处理；4)将步骤3)得到的产物放入氩气气氛炉中，通水蒸气活化，冷却后得到多级结构碳材料。本专利技术进一步的改进在于，所述的镍盐水溶液为硝酸镍、硫酸镍或氯化镍的水溶液。本专利技术进一步的改进在于，所述的镍盐水溶液的浓度为0.1mol/L～0.5mol/L。本专利技术进一步的改进在于，所述的浸泡时间为20～30h。本专利技术进一步的改进在于，所述的粉碎是在搅拌机中进行的，粉碎的时间为6～10min。本专利技术进一步的改进在于，所述的离心的转速8000～9000r/min，离心时间5min。本专利技术进一步的改进在于，所述的冷冻干燥的温度为-60℃～-50℃，气压为10～50Pa，时间为30-40h。本专利技术进一步的改进在于，所述的低温碳化的条件为：以10℃/min的升温速率升至300～500℃，氩气气体流量为60mL/min，保温90～150min。本专利技术进一步的改进在于，所述的高温石墨化的条件为：以10℃/min的升温速率升至800～1500℃，氩气气体流量为60mL/min，保温90～150min。本专利技术进一步的改进在于，所述的活化条件为：以10℃/min的升温速率升至500～900℃，氩气与水蒸气总的气流量为80～200mL/min，保温60～100min。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术以藻类植物作为碳源，将藻类植物经硝酸镍溶液浸泡后，冷冻干燥处理后在300～500℃下进行碳化，再经800～1500℃催化石墨化，最后通水蒸气活化处理，冷却后得到多级结构的碳材料。本专利技术中以藻类植物为碳源制备多级结构碳材料，藻类植物以其叶茎丰硕、吸水性强等特点，有利于镍盐溶液中离子的均匀附着。并且其生长速度快、周期短，容易造成“水华”等污染。所以，用藻类植物作为碳源，还起到“变废为宝”的作用。碳化处理使藻类植物转变成碳，为纳米碳材料的生长提供碳源，同时金属镍盐转化为氧化镍均匀分散于碳材料表面。高温处理过程中金属氧化镍转变为镍纳米颗粒，有利于碳材料的催化石墨化，提高多级结构碳材料的有序度。活化处理有助于调控紫菜碳材料表面孔隙的大小和结构。本专利技术制备周期短，工艺简单，原料来源广泛易得，生产成本低。本专利技术提供的多级结构碳材料制备方法操作过程简单，制备周期短，原料易得，成本低，相关产物具有比表面积高，石墨化程度高的特点，可以在锂离子电池和超级电容器中应用。附图说明图1是本专利技术制备的多级结构碳材料的X-射线衍射(XRD)图谱；图2为本专利技术实施例3中所得多级结构碳材料的扫描电镜(SEM)照片；图3为图2中局部的扫描电镜(SEM)照片；图4为图3的放大图。具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术进行详细说明本专利技术中藻类植物为紫菜，以紫菜为例进行说明。实施例1一种多级结构碳材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：配制浓度为0.1mol/L的硝酸镍溶液，称取10g藻类植物、并将其浸泡在镍盐溶液中20h。步骤2：将浸泡完毕的藻类植物用搅拌机粉碎6min，在8000r/min的转速下离心5min藻类浆液，得到前驱体，在温度为-60℃，气压为10Pa下，冷冻干燥30h后得到中间产物。步骤3：将得到的中间产物放入氩气气氛炉中，先以10℃/min的升温速率自室温升至300℃碳化90min、再以10℃/min的升温速率升至800℃催化石墨化90min。步骤4：将催化石墨化后的产物放入氩气气氛炉中，通过氩气向反应炉内载入水蒸气，且氩气和水蒸气的总的流量为80mL/min，氩气和水蒸气的体积比为3:5。以10℃/min的升温速率升至500℃活化处理60min，冷却后即得到具有多级结构碳材料。实施例2一种多级结构碳材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：配制浓度为0.2mol/L的硝酸镍溶液，称取20g藻类植物、并将其浸泡在镍盐溶液中22.5h。步骤2：将浸泡完毕的藻类用搅拌机粉碎7min，在8250r/min的转速下离心5min藻类浆液得到前驱体，在温度为-57.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以藻类植物为碳源制备多级结构碳材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将藻类植物浸泡在镍盐水溶液中，使镍盐溶液中离子附着在藻类植物上；2)将步骤1)浸泡完毕的藻类植物粉碎、离心得到前驱体，冷冻干燥后得到中间产物；3)将步骤2)得到的中间产物放入氩气气氛炉中，先进行低温碳化处理、再经高温石墨化处理；4)将步骤3)得到的产物放入氩气气氛炉中，通水蒸气活化，冷却后得到多级结构碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种以藻类植物为碳源制备多级结构碳材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将藻类植物浸泡在镍盐水溶液中，使镍盐溶液中离子附着在藻类植物上；2)将步骤1)浸泡完毕的藻类植物粉碎、离心得到前驱体，冷冻干燥后得到中间产物；3)将步骤2)得到的中间产物放入氩气气氛炉中，先进行低温碳化处理、再经高温石墨化处理；4)将步骤3)得到的产物放入氩气气氛炉中，通水蒸气活化，冷却后得到多级结构碳材料。2.根据权利要求1所述的一种以藻类植物为碳源制备多级结构碳材料的方法，其特征在于，所述的镍盐水溶液为硝酸镍、硫酸镍或氯化镍的水溶液。3.根据权利要求1所述的一种以藻类植物为碳源制备多级结构碳材料的方法，其特征在于，所述的镍盐水溶液的浓度为0.1mol/L～0.5mol/L。4.根据权利要求1或3所述的一种以藻类植物为碳源制备多级结构碳材料的方法，其特征在于，所述的浸泡时间为20～30h。5.根据权利要求1所述的一种以藻类植物为碳源制备多级结构碳材料的方法，其特征在于，所述的粉碎是在搅拌机中进行的，粉碎的时间为6～10min。6.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李翠艳，弓琴琴，欧阳海波，黄剑锋，孔新刚，曹丽云，费杰，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61