一种生物质炭材料及制备方法技术

本发明专利技术为一种生物质炭材料及制备方法，涉及炭材料制备技术领域。该制备方法包括以下步骤：(1)制备炭源混合液：将生物质炭源加入到去离子水中，搅拌均匀，得到炭源混合液；(2)制备燃烧液：向炭源混合液中加入燃烧剂、氧化剂和发泡剂，搅拌均匀，得燃烧液；(3)煅烧燃烧液，得到初期炭材料；(4)洗涤初期炭材料；(5)干燥洗涤后的初期炭材料，得到所述的生物质炭材料。本发明专利技术所述的一种生物质炭材料及制备方法，采用溶液燃烧法，十分节约能源，并且可以一步成炭；制备方法简单，制备周期短，可重复性好；制得的生物质炭材料的纳米薄层结构均一，微观结构和比表面积较好。

【技术实现步骤摘要】
一种生物质炭材料及制备方法
本专利技术属于炭材料制备
，具体涉及一种生物质炭材料及制备方法。
技术介绍
纳米炭材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的结构型炭材料，主要包含富勒烯、纳米炭管、石墨烯和纳米介孔炭等。纳米炭材料具有稳定性好、强度高、比表面积高和来源丰富等特点，是最具发展潜力的新型纳米材料，现已应用于复合材料、超级电容器、贮氢材料、催化剂等能源化工领域，甚至成为高新领域中无法替代的材料。国家《新材料产业“十二五”发展规划》确定重点发展新型功能材料、先进结构材料及高性能复合材料等，近年来纳米炭材料研究的迅猛发展也为其在化工催化材料领域的开发应用提供了平台。未来最有可能实现工业化应用的产品是储能储氢器件、新型复合材料和催化剂。传统的炭材料由煤、石油等为主要原料通过加工处理制备，但如今全球范围内的能源危机以及生态环境的恶化，使传统炭材料的进一步发展受到了限制，开发可再生资源并将其转化为能源与各种材料具有重要的现实意义。生物质炭材料是利用生物质为原料制备的各种炭材料。生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。而所谓生物质能，就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的炭源。以生物质为原料制备炭材料，能够降低炭材料的生产成本，实现炭材料的可持续发展。近年来，很多科学家都在致力于新型生物质类纳米炭材料的制备及潜在应用的研究。如用利用棉秆、甘蔗渣、稻壳、茶叶渣、枣核、柚子皮、椰子壳等农作物废弃物为原料制备炭基材料，但是上述方法工艺繁琐，生产周期长，生产出的纳米炭材料可塑性差，易团聚比表面积较低。有鉴于此，有必要提出一种新的生物质炭材料及制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种生物质炭材料的制备方法，该方法工艺简单，提高了产品的性能。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种生物质炭材料的制备方法，包括以下步骤：(1)制备炭源混合液：将生物质炭源加入到去离子水中，搅拌均匀，得到炭源混合液；所述生物质炭源为葡萄糖、果糖、淀粉、农作物秸秆和果皮中的一种；(2)制备燃烧液：向炭源混合液中加入燃烧剂、氧化剂和发泡剂，搅拌均匀，得燃烧液；所述燃烧剂为柠檬酸、甘氨酸和尿素中的一种，所述氧化剂为硝酸溶液、硫酸溶液、高锰酸钾和次氯酸钠中的一种，所述发泡剂为过氧化氢溶液、氟化钠、碳酸钠和碳酸氢钠中的一种；(3)将燃烧液在150-450℃的温度下煅烧10-90分钟，再升温至500-800℃，煅烧10-300分钟，自然冷却至室温，得到初期炭材料；(4)洗涤初期炭材料：先用去离子水洗涤初期炭材料，再用无水乙醇洗涤初期炭材料，得到洗涤后的初期炭材料；(5)干燥洗涤后的初期炭材料，得到所述的生物质炭材料。进一步的，所述步骤(1)中，生物质炭源与炭源混合液的质量比为2-5：10。进一步的，所述农作物秸秆和果皮自然晾干后，再粉碎过100-120目筛。进一步的，所述步骤(2)中，生物质炭源与燃烧剂的质量比为1：0.01-0.5；所述生物质炭源与高锰酸钾或次氯酸钠的质量比为1:0.001-0.5；所述炭源混合液与硝酸溶液或硫酸溶液的体积比为1:0.01-0.5；所述生物质炭源与氟化钠或碳酸钠或碳酸氢钠的质量比为1:0.001-0.5；所述炭源混合液与过氧化氢溶液的体积比为1:0.01-0.5。再进一步的，所述硝酸溶液的质量分数为30％-65％，所述过氧化氢溶液的质量分数为20％-40％，所述硫酸溶液的质量分数为50-98％。进一步的，所述步骤(4)还包括：用去离子水洗涤初期炭材料3-4次之后，再用丙酮洗涤初期炭1-2次材料，之后再用无水乙醇洗涤初期炭材料3-4次。进一步的，所述步骤(5)中，干燥的温度为50-80℃，干燥时间为10-15小时。本专利技术的另外一个目的在于提供一种生物质炭材料，该生物质炭材料由上述方法制备得到，其具有良好的微观结构和比表面积等优点。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术所述的制备方法工艺简单，制备周期短，可重复性好。2、本专利技术采用溶液燃烧法，溶液燃烧的驱动力来自于内部高放热的氧化还原反应，制备过程中所需的能量输入仅是将反应点燃，因此十分节约能源，并且可以一步成炭。3、本专利技术所述生物质炭材料采用溶液燃烧法制备而成，反应速度快，能阻止生成的纳米粒子团聚，制得的炭材料的纳米薄层结构均一。附图说明图1为本专利技术所述的实施例1和实施例5的生物质炭材料的N2吸脱附曲线图。图2为本专利技术所述的实施例2和实施例5的生物质炭材料的孔容与孔径分布图。图3为本专利技术所述的实施例3和实施例4的生物质炭材料的XRD图。图4为本专利技术所述的实施例3的生物质炭材料的SEM图。图5为本专利技术所述的实施例5的生物质炭材料的SEM图。具体实施方式为了进一步阐述本专利技术一种生物质炭材料及制备方法，达到预期专利技术目的，以下结合较佳实施例，对依据本专利技术提出的一种生物质炭材料及制备方法，其具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。在详细阐述本专利技术一种生物质炭材料及制备方法之前，有必要对本专利技术中提及的方法做进一步说明，以达到更好的效果。燃烧合成法是一种快速、节能的制备方法。目前，燃烧合成已被用于合成超过1000种氧化物粉体。基于反应物的物理性质和反应介质，燃烧合成可以分为自蔓延燃烧合成和溶液燃烧合成。自蔓延燃烧合成利用反应物之间发生的自蔓延放热反应进行材料合成；其最大的特点在于合成过程中不需要外部能量的持续供给，一旦点燃后即可自发维持下去，即自蔓延特性。溶液燃烧法，将可溶性的反应物溶于水，能够达到分子水平的均匀混合，反应温度较低；并且反应速度快，能阻止生成的纳米粒子团聚。因而适用于纳米材料的制备。在1988年，Patil等第一次报道了溶液燃烧合成，利用尿素和Al(NO3)3·9H2O的反应得到Al2O3。溶液燃烧合成以金属硝酸盐和有机燃料为反应物，利用两者之间的放热的氧化还原反应来达到自蔓延的目的，即产物晶格形成能由其内部化学能来提供。所以，溶液燃烧合成需要的外界提供的温度较低，仅用于触发燃烧反应(达到点燃温度)，不同于传统合成方法中需要外界能量的持续输入来促使晶格形成。溶液燃烧法制备生物质炭材料的工艺简单，操作方便，产量高。溶液燃烧的驱动力来自于内部的化学能，该化学能来源于高放热的氧化还原反应。制备过程中最主要的能量消耗是溶液的脱水过程，所需的能量输入仅是将反应点燃。因此，溶液燃烧合成所需要的温度只需比点燃温度高，因而该合成路线十分节能。反应可分为五个阶段，第一阶段：将溶液从室温加热到水的沸点；第二阶段：由于水的蒸发，溶液温度保持在100℃；第三阶段：完全脱水后，所得干凝胶继续被加热而导致温度上升，这个过程中，水蒸气和发泡剂中的气体迅速挥发制造出了大量的孔结构；第四阶段：一旦温度达到点燃温度，前驱物被点燃，发生自蔓延燃烧反应。第五阶段：自然冷却。然后用溶液将多余可溶性金属盐洗涤带出，得到所需要的生物质炭材料。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物质炭材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备炭源混合液：将生物质炭源加入到去离子水中，搅拌均匀，得到炭源混合液；所述生物质炭源为葡萄糖、果糖、淀粉、农作物秸秆和果皮中的一种；(2)制备燃烧液：向炭源混合液中加入燃烧剂、氧化剂和发泡剂，搅拌均匀，得燃烧液；所述燃烧剂为柠檬酸、甘氨酸和尿素中的一种，所述氧化剂为硝酸溶液、硫酸溶液、高锰酸钾和次氯酸钠中的一种，所述发泡剂为过氧化氢溶液、氟化钠、碳酸钠和碳酸氢钠中的一种；(3)将燃烧液在150‑450℃的温度下煅烧10‑90分钟，再升温至500‑800℃，煅烧10‑300分钟，自然冷却至室温，得到初期炭材料；(4)洗涤初期炭材料：先用去离子水洗涤初期炭材料，再用无水乙醇洗涤初期炭材料，得到洗涤后的初期炭材料；(5)干燥洗涤后的初期炭材料，得到所述的生物质炭材料。

【技术特征摘要】
1.一种生物质炭材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备炭源混合液：将生物质炭源加入到去离子水中，搅拌均匀，得到炭源混合液；所述生物质炭源为葡萄糖、果糖、淀粉、农作物秸秆和果皮中的一种；(2)制备燃烧液：向炭源混合液中加入燃烧剂、氧化剂和发泡剂，搅拌均匀，得燃烧液；所述燃烧剂为柠檬酸、甘氨酸和尿素中的一种，所述氧化剂为硝酸溶液、硫酸溶液、高锰酸钾和次氯酸钠中的一种，所述发泡剂为过氧化氢溶液、氟化钠、碳酸钠和碳酸氢钠中的一种；(3)将燃烧液在150-450℃的温度下煅烧10-90分钟，再升温至500-800℃，煅烧10-300分钟，自然冷却至室温，得到初期炭材料；(4)洗涤初期炭材料：先用去离子水洗涤初期炭材料，再用无水乙醇洗涤初期炭材料，得到洗涤后的初期炭材料；(5)干燥洗涤后的初期炭材料，得到所述的生物质炭材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，生物质炭源与炭源混合液的质量比为2-5：10。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述农作物秸秆和果皮自然晾干后，再粉碎过100-12...

【专利技术属性】
技术研发人员：代斌，祁佩荣，王超，于锋，
申请(专利权)人：石河子大学，
类型：发明
国别省市：新疆,65