一种纳米结构石墨碳材料及其制备方法、应用技术

本发明专利技术公开一种纳米结构石墨碳材料及其制备方法、应用，其中，所述方法包括：以价格低廉的植物材料和含碳化合物作为原材料，依次经过浸泡、轧制、挤压、碳化、活化以及石墨化等处理，最终得到纳米结构石墨碳材料。本发明专利技术充分利用了植物材料紧实层天然形成的纳米级孔洞，通过添加填充剂并经过轧制和挤压处理，减少了100纳米以上孔径的孔洞，使得纳米结构石墨碳材料具有立体多孔结构，且比表面积合适，既有利于储能器件中的物质交换和高效流通，又有利于提高容量，加快充放电速度，因此所述纳米结构石墨碳材料非常适合用于制备储电器件的电极。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米结构石墨碳材料及其制备方法、应用
本专利技术涉及碳材料领域，尤其涉及一种纳米结构石墨碳材料及其制备方法、应用。
技术介绍
纳米立体多孔碳材料由于其巨大的比表面积、稳定的物理化学性质以及三维互通的多孔结构，为物质的传送、液体的流动、气体的扩散提供了有效的通道。同时，纳米立体多孔碳的孔结构恰好能够满足储能器件需要的高效流通通道和便于复合设计的要求，使其成为储能器件电极的重要材料。目前，利用天然石墨或人工石墨制备多孔碳的方法，存在工艺复杂，孔径分布单一、成本高昂、污染严重、立体互通结构欠缺、导电性欠佳等问题，因此在需要良好导电性能的锂离子电池和超级电容领域应用受到限制。自然中的植物，在进化过程中，天然形成了基于液体的物质交换和高效流通通道的立体多孔结构。利用植物材料碳化得到立体多孔碳，再使非晶碳产生石墨层，既能提高材料的导电性能，又满足了锂离子电池和超级电容电极所需要的高效流通通道的要求。然而，植物材料的疏松层，孔径在100纳米以上的孔洞占比很大，直接利用植物材料制得的多孔碳大孔径孔洞过多，严重降低比表面积，导致储能容量低，不利于储能器件的应用。因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种纳米结构石墨碳材料及其制备方法、应用，旨在解决现有多孔碳材料中制备工艺复杂，孔径分布单一、成本高昂、立体互通结构欠缺、导电性欠佳或大孔径孔洞占比太大、严重降低了比表面积，导致储能容量低，不利于储能器件应用的问题。本专利技术的技术方案如下：一种纳米结构石墨碳材料的制备方法，其中，包括步骤：A、按照预定质量比例将植物材料和填充剂混合浸泡预定时间后，通过轧制、挤压处理得到轧制料；B、在惰性气氛下，将所述轧制料加热至180-2100℃，并保温0.5-24h后，得到碳化物料；C、在离心或真空条件下，将所述碳化物料浸渍在强碱溶液中，之后在惰性气氛下将所述碳化物料加热至400-1200℃，保温0.5-24h后，得到活化物料；D、对所述活化物料进行离心清洗，然后浸泡在含有金属离子的溶液中，干燥后在惰性气氛下加热至400-1200℃，保温1-24h后，得到纳米结构石墨碳材料。所述的纳米结构石墨碳材料的制备方法，其中，所述植物材料和填充剂的质量比为10-0.1:0.1-10。所述的纳米结构石墨碳材料的制备方法，其中，所述植物材料为木材加工残余、甘蔗渣、椰壳、芦苇、稻草、麦秸秆、谷壳、棉花杆、玉米芯和玉米杆中一种或多种。所述的纳米结构石墨碳材料的制备方法，其中，所述填充剂为含碳化合物。所述的纳米结构石墨碳材料的制备方法，其中，所述含碳化合物为石蜡、沥青、虫胶、松香、酚醛树脂、呋喃树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚丁烯树脂、脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、聚氨酯树脂和糖类化合物中的一种或多种。所述的纳米结构石墨碳材料的制备方法，其中，所述步骤C中的强碱溶液为氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液。所述的纳米结构石墨碳材料的制备方法，其中，所述步骤D中的金属离子为铁离子、钴离子、镍离子、稀土元素离子和钛离子中的一种或多种。所述的纳米结构石墨碳材料的制备方法，其中，所述惰性气氛为氮气、氩气、氖气和氦气中的一种或多种。一种纳米结构石墨碳材料，其中，采用上述任一所述的制备方法制备而成。一种纳米结构石墨碳材料的应用，其中，将所述纳米结构石墨碳材料用于制备储电器件的电极。有益效果：本专利技术以价格低廉的植物材料和含碳化合物作为原材料，依次经过浸泡、轧制、挤压、碳化、活化以及石墨化等处理，最终得到纳米结构石墨碳材料。本专利技术充分利用了植物材料紧实层天然形成的纳米级孔洞，通过添加填充剂并经过轧制和挤压处理，减少了100纳米以上孔径的孔洞，使得纳米结构石墨碳材料具有立体多孔结构，且比表面积合适，既有利于储能器件中的物质交换和高效流通，又有利于提高容量，加快充放电速度，因此所述纳米结构石墨碳材料非常适合用于制备储电器件的电极。附图说明图1为本专利技术一种纳米结构石墨碳材料的制备方法较佳实施例的流程图。具体实施方式本专利技术提供了一种纳米结构石墨碳材料及其制备方法、应用，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。请参阅图1，图1为本专利技术一种纳米结构石墨碳材料的制备方法较佳实施例的流程图，如图所示，其中包括步骤：S10、按照预定质量比例将植物材料和填充剂混合浸泡预定时间后，通过轧制、挤压处理得到轧制料；S20、在惰性气氛下，将所述轧制料加热至180-2100℃，并保温0.5-24h后，得到碳化物料；S30、在离心或真空条件下，将所述碳化物料浸渍在强碱溶液中，之后在惰性气氛下将所述碳化物料加热至400-1200℃，保温0.5-24h后，得到活化物料；S40、对所述活化物料进行离心清洗，然后浸泡在含有金属离子的溶液中，干燥后在惰性气氛下加热至400-1200℃，保温1-24h后，得到纳米结构石墨碳材料。具体来说，单独通过植物材料或石墨制备的多孔碳材料均存在相应的问题，例如，通过石墨制备的多孔碳存在制备工艺复杂、孔径分布单一、成本高昂、污染严重以及立体互通结构欠缺、导电性较差的问题；而单独通过植物材料制备的多孔碳材料存在大孔径孔洞占比较大，严重降低了比表面积从而影响储能容量，不利于储能器件应用的问题。为解决上述问题，本实施方式按照预定比例以价格低廉的植物材料和填充剂（含碳化合物）作为原材料，依次经过浸泡、轧制、挤压、碳化、活化以及石墨化等处理，最终得到纳米结构石墨碳材料。本实施方式充分利用了植物材料紧实层天然形成的纳米级孔洞，通过添加填充剂并经过轧制和挤压处理，减少了100纳米以上孔径的孔洞，使得纳米结构石墨碳材料具有立体多孔结构，且比表面积合适，既有利于储能器件中的物质交换和高效流通，又有利于提高储能容量，加快充放电速度，因此所述纳米结构石墨碳材料非常适合用于制备储电器件的电极。进一步地，在所述步骤S10中，所述植物材料和填充剂的质量比为10-0.1:0.1-10，优选比例为2:1。在该实施方式中，所述植物材料为木材加工残余、甘蔗渣、椰壳、芦苇、稻草、麦秸秆、谷壳、棉花杆、玉米芯和玉米杆中一种或多种，但不限于此；所述填充剂为含碳化合物，所述含碳化合物为石蜡、沥青、虫胶、松香、酚醛树脂、呋喃树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚丁烯树脂、脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、聚氨酯树脂和糖类化合物中的一种或多种，但不限于此。具体来说，将所述植物材料和填充剂混合浸渍0.5-24h后，通过轧辊机对其进行轧制、挤压处理得到轧制料，所述轧制料的形态为散碎料或片状料；所述轧辊机带有加热功能，所述轧辊机中的轧辊包括齿轮型轧辊、平滑圆轧辊、表面带凸点圆轧辊。在本实施方式中，轧制、挤压处理的目的在于充分利用植物材料紧实层天然形成的纳米级孔洞，减少100纳米以上孔径的孔洞，从而增加材料的比表面积；同时轧制也起到造型的目的。进一步地，在所述步骤S20中，将所述轧制料放入加热罐中，在惰性气氛下将加热罐加热至180-2100℃，并保温0.5-24h后，自然降温后，完成碳化过程，得到碳化物料。优选地，碳化过程中，加热温度为500-1000℃，保温2-4h。更进一步地，在所述步骤S30本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米结构石墨碳材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：A、按照预定质量比例将植物材料和填充剂混合浸泡预定时间后，通过轧制、挤压处理得到轧制料；B、在惰性气氛下，将所述轧制料加热至180‑2100℃，并保温0.5‑24h后，得到碳化物料；C、在离心或真空条件下，将所述碳化物料浸渍在强碱溶液中，之后在惰性气氛下将所述碳化物料加热至400‑1200℃，保温0.5‑24h后，得到活化物料；D、对所述活化物料进行离心清洗，然后浸泡在含有金属离子的溶液中，干燥后在惰性气氛下加热至400‑1200℃，保温1‑24h后，得到纳米结构石墨碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种纳米结构石墨碳材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：A、按照预定质量比例将植物材料和填充剂混合浸泡预定时间后，通过轧制、挤压处理得到轧制料；B、在惰性气氛下，将所述轧制料加热至180-2100℃，并保温0.5-24h后，得到碳化物料；C、在离心或真空条件下，将所述碳化物料浸渍在强碱溶液中，之后在惰性气氛下将所述碳化物料加热至400-1200℃，保温0.5-24h后，得到活化物料；D、对所述活化物料进行离心清洗，然后浸泡在含有金属离子的溶液中，干燥后在惰性气氛下加热至400-1200℃，保温1-24h后，得到纳米结构石墨碳材料。2.根据权利要求1所述的纳米结构石墨碳材料的制备方法，其特征在于，所述植物材料和填充剂的质量比为10-0.1:0.1-10。3.根据权利要求1所述的纳米结构石墨碳材料的制备方法，其特征在于，所述植物材料为木材加工残余、甘蔗渣、椰壳、芦苇、稻草、麦秸秆、谷壳、棉花杆、玉米芯和玉米杆中一种或多种。4.根据权利要求1所述的纳米结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢金庚，
申请(专利权)人：谢金庚，
类型：发明
国别省市：广东,44