石墨化碳纳米材料的制备方法技术

石墨化碳纳米材料的制备方法，它涉及一种碳纳米材料的制备方法。本发明专利技术解决了现有制备石墨化碳纳米材料存在成本高、污染环境的问题。本发明专利技术的方法如下：一、对碳源预处理；二、在溶剂中催化剂和经预处理的碳源；三、预碳化；四、热处理；五、酸处理；六、物理活化或化学活化后即可。本发明专利技术具有工艺简单、对环境污染小、成本低、所需设备简单的优点，且易于实现商业化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种碳纳米材料的制备方法。
技术介绍
近年来，由于在分离、能量储存、电催化、药物运输等方面的应用价值，纳米碳材料的研究引起了学术界和企业界的极大关注。由于石墨具有高的热稳定性、化学稳定性、导电性、高电子传导性、场发射性能及金属和半导体特性，因而具有石墨结构的碳纳米材料在性能上有较大改善，可以应用于制备工业电极、锂离子电池的阳极材料以及作为电化学催化剂的载体。另外，碳材料的微观形貌对其应用也有很大的影响，比如说石墨胶囊可以作为催化剂载体、也可用于染料吸附以及药物存储，片层石墨可以作为冷场晶体管发射体。因此，开采新的方法制备多种形貌的石墨化纳米碳材料受到研究者的广泛关注。目前，合成石墨化碳纳米材料的方法主要有电弧放电法、化学气相沉积法、激光消融法、电子束辐照法及热分解含碳金属化合物等方法。根据所使用的方法以及使用碳前驱体的不同，多种形貌的石墨化碳材料如纳米胶囊、纳米树、纳米卷、纳米纤维、纳米带、纳米片、纳米角、纳米墙等已经成功地被合成。然而，这些方法具有以下缺点：反应温度较高、工艺复杂、产率低且有副产物生成，制备的产品需要进一步提纯才能使用，从而大大增加了成本；另外，所使用的碳源多为苯、甲苯、乙炔、甲烷等从煤、矿石中提取的非可再生资源，从制备工艺上来看，对环境污染较为严重，因而不利于商业化应用。固相热解法被认为是一种较为有效的制备方法，产品形貌、尺寸均一，通过简单调节碳源和催化剂的种类，可以制得不同形貌的石墨化纳米碳材料。目前多采用酚醛树脂等作为碳源，这类物质均为石油的提取物，在当今资源匮乏的情况下，成本也会较高，限制了其商业化生产。专利技术内容本专利技术的目的是为了解决现有制备石墨化碳纳米材料存在成本高、污染环境的问题；而提供了一种石墨化碳纳米材料的制备方法。-->本专利技术中石墨化碳纳米材料的制备方法是由下述步骤完成的：一、对碳源进行预处理1～10h；二、向溶剂中加入催化剂和经预处理的碳源，在50℃、100～300r/min搅拌速度下搅拌8h，其中碳源与催化剂的质量比为0.025～1:1；三、在温度为80～450℃条件下预碳化步骤二混合物2～8h，预碳化气氛为空气、氧气、氮气、氩气、氦气中的一种或几种气体的混合气体；四、以1～15℃/min的升温速度由室温升至400～1200℃，在热处理气氛、热处理气氛流量为30～2000mL/min、热处理温度为400～1200℃条件下，对步骤三产物进行热处理10min～10h，其中热处理气氛为氮气、氩气、氦气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氢气及水蒸气中的一种或几种气体的混合气体；五、对步骤四的产物研磨后加到质量浓度为15％～20％的硝酸或盐酸中，在110～140℃条件下回流6～14h，用蒸馏水洗涤至中性，然后在110～120℃条件下烘干或者在60～80℃条件下真空干燥6～8h；六、对步骤五的产物进行物理活化或化学活化，干燥后得到石墨化碳纳米材料。步骤一的碳源为农林作物提取物或农林废弃物；农林作物提取物为葡萄糖、蔗糖、果糖或淀粉；农林废弃物为玉米秆、高粱秆、甜菜渣、甘蔗渣或木屑。步骤一中所述的碳源预处理的方法为微波法、水热法、超声法、喷雾法、酸处理法或碱处理法。步骤二中所述的催化剂为氯化铁、氯化亚铁、硝酸铁、硝酸亚铁、硫酸铁、硫酸亚铁、铁氰化钾、亚铁氰化钾、三草酸合铁酸钾、氯化钴、硝酸钴、硫酸钴、乙酸钴、氯化镍、硝酸镍、硫酸镍、乙酸镍中的一种或其中几种的混合。步骤二中所述的溶剂为水、甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或其中几种的混合。步骤六中所述的物理活化方法如下：在水蒸气、二氧化碳、氢气或一氧化碳气氛下，及物理活化温度为200～500℃、物理气体流量为100～4000mL/min条件下，将步骤五的产物物理活化0.5～24h。步骤六中所述的化学活化法如下：在活化温度为80～180℃条件下，步骤五的产物在无机溶液中活化3～12h，其中无机溶液的质量浓度为10％～45％，无机溶液为氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸、盐酸、硝酸、高锰酸钾中的一种或其-->中两种的混合。步骤六中所述的干燥是在110～120℃条件下烘干或者在60～80℃条件下真空干燥6～8h。本专利技术采用农林作物提取物及农林废弃物作碳源，其来源广泛且价廉，一方面解决了环保问题，另一方面大大降低了合成石墨化碳纳米材料的成本。本专利技术基于静电作用、络合作用以及其它弱相互作用的配位过程，涵盖低温溶解-配位-高温石墨化过程，其能耗低。本专利技术制备工艺简单，实验设备简单，成本低，易于实现商业化。本专利技术方法能制备纳米尺寸的囊状、片状、纤维状、螺旋状、卷状、管状、角状、带状等各种形貌的石墨化碳纳米材料以及石墨化碳/磁性粒子复合材料，应用于有机染料吸附分离，电化学方面、超大电容器方面。附图说明图1是具体实施方式五十三制备的石墨化碳纳米材料的X-射线衍射谱图。图2是具体实施方式五十三制备的石墨化碳纳米材料的拉曼谱图。图3是具体实施方式五十三制备的石墨化碳纳米材料的透射电子显微镜照片。图4是具体实施方式五十三制备的石墨化碳纳米材料的高分率辨透射电子纤维镜照片。具体实施方式本专利技术技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。具体实施方式一：本实施方式石墨化碳纳米材料的制备方法是由下述步骤完成的：一、对碳源进行预处理1～10h；二、向溶剂中加入催化剂和经预处理的碳源，在50℃、100～300r/min搅拌速度下搅拌8h，其中碳源与催化剂的质量比为0.025～1:1；三、在温度为80～450℃条件下预碳化步骤二混合物2～8h，预碳化气氛为空气、氧气、氮气、氩气、氦气中的一种或几种气体的混合气体；四、以1～15℃/min的升温速度由室温升至400～1200℃，在热处理气氛、热处理气氛流量为30～2000mL/min、热处理温度为400～1200℃条件下，对步骤三产物进行热处理10min～10h，其中热处理气氛为氮气、氩气、氦气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氢气及水蒸气中的一种或几种气体的混合气体；五、对步骤四的产物研磨后加到质量浓度为15％～20％的硝酸或盐酸中，在110～140℃-->条件下回流6～14h，用蒸馏水洗涤至中性，然后在110～120℃条件下烘干或者在60～80℃条件下真空干燥6～8h；六、对步骤五的产物进行物理活化或化学活化，干燥后得到石墨化碳纳米材料。本实施方式步骤三的预碳化气氛为混合物时，各种预碳化气氛间按任意比混合。步骤四中的热处理气氛为混合物时，各种热处理气氛间按任意比混合。步骤五中经研磨达到粒度在20～40nm。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一的碳源为农林作物提取物或农林废弃物。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：农林作物提取物为葡萄糖、蔗糖、果糖或淀粉。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二不同的是：农林废弃物为玉米秆、高粱秆、甜菜渣、甘蔗渣或木屑。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：农林废弃物为玉米秆或高粱秆，步骤一中将农林废弃物粉碎后预处理1～10h，在进行步骤二的操作前进行离心分离后用水洗涤至洗液本文档来自技高网...

【技术保护点】
石墨化碳纳米材料的制备方法，其特征在于石墨化碳纳米材料的制备方法是由下述步骤完成的：一、对碳源进行预处理１～１０ｈ；二、向溶剂中加入催化剂和经预处理的碳源，在５０℃、１００～３００ｒ／ｍｉｎ搅拌速度条件下搅拌８ｈ，其中碳源与催化剂的质量比为０．０２５～１∶１；三、在温度为８０～４５０℃条件下预碳化步骤二混合物２～８ｈ，预碳化气氛为空气、氧气、氮气、氩气、氦气中的一种或几种气体的混合气体；四、以１～１５℃／ｍｉｎ的升温速度由室温升至４００～１２００℃，在热处理气氛、热处理气氛流量为３０～２０００ｍＬ／ｍｉｎ、热处理温度为４００～１２００℃条件下，对步骤三产物进行热处理１０ｍｉｎ～１０ｈ，其中热处理气氛为氮气、氩气、氦气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氢气及水蒸气中的一种或几种气体的混合气体；五、对步骤四的产物研磨后加到质量浓度为１５％～２０％的硝酸或盐酸中，在１１０～１４０℃条件下回流６～１４ｈ，用蒸馏水洗涤至中性，然后在１１０～１２０℃条件下烘干或者在６０～８０℃条件下真空干燥６～８ｈ；六、对步骤五的产物进行物理活化或化学活化，干燥后得到石墨化碳纳米材料。

【技术特征摘要】
1、石墨化碳纳米材料的制备方法，其特征在于石墨化碳纳米材料的制备方法是由下述步骤完成的：一、对碳源进行预处理1～10h；二、向溶剂中加入催化剂和经预处理的碳源，在50℃、100～300r/min搅拌速度条件下搅拌8h，其中碳源与催化剂的质量比为0.025～1:1；三、在温度为80～450℃条件下预碳化步骤二混合物2～8h，预碳化气氛为空气、氧气、氮气、氩气、氦气中的一种或几种气体的混合气体；四、以1～15℃/min的升温速度由室温升至400～1200℃，在热处理气氛、热处理气氛流量为30～2000mL/min、热处理温度为400～1200℃条件下，对步骤三产物进行热处理10min～10h，其中热处理气氛为氮气、氩气、氦气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氢气及水蒸气中的一种或几种气体的混合气体；五、对步骤四的产物研磨后加到质量浓度为15％～20％的硝酸或盐酸中，在110～140℃条件下回流6～14h，用蒸馏水洗涤至中性，然后在110～120℃条件下烘干或者在60～80℃条件下真空干燥6～8h；六、对步骤五的产物进行物理活化或化学活化，干燥后得到石墨化碳纳米材料。2、根据权利要求1所述的石墨化碳纳米材料的制备方法，其特征在于步骤一的碳源为农林作物提取物或农林废弃物。3、根据权利要求2所述的石墨化碳纳米材料的制备方法，其特征在于农林作物提取物为葡萄糖、蔗糖、果糖或淀粉。4、根据权利要求2所述的石墨化碳纳米材料的制备方法，其特征在于农林废弃物为玉米秆、高粱秆、甜菜渣、甘蔗渣或...

【专利技术属性】
技术研发人员：付宏刚，田春贵，王蕾，王宝丽，王瑞红，田国辉，
申请(专利权)人：黑龙江大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]