一种碳纳米材料的工业化制备方法技术

本发明专利技术涉及温室气体二氧化碳减排及碳纳米材料技术领域，特别涉及一种碳纳米材料的工业化制备方法；旨在解决现有技术中碳纳米材料制备成本较高的问题；本发明专利技术公开的碳纳米材料的工业化制备方法为熔融的碳酸盐经原料均质、电解准备、熔融、电解、取料离心、分离等步骤获得碳纳米材料；本发明专利技术采用熔融态碳酸盐作为主要电解质电解制备碳纳米材料，通过采用碳酸盐作为主要电解质原料，大幅降低了碳纳米材料的制备成本，同时，通过进行加压处理，有效提高了二氧化碳转化为碳纳米材料的转化率。二氧化碳转化为碳纳米材料的转化率。二氧化碳转化为碳纳米材料的转化率。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米材料的工业化制备方法


[0001]本专利技术涉及温室气体二氧化碳减排及碳纳米材料
，特别涉及一种碳纳米材料的工业化制备方法。

技术介绍

[0002]中国是世界上主要的煤炭消费国，2018年，中国燃煤发电量占总发电量的60％，燃煤发电过程中会产生大量的二氧化碳。中国二氧化碳排放量约为每年110亿吨，约占全世界二氧化碳排放量的30％，为世界上二氧化碳排放量最大的国家。随着全人类对气候变化的持续关注，尤其对于全球变暖这个环境突出问题，而二氧化碳作为温室效应的主要原因，中国越来越重视二氧化碳的捕获和资源化利用。对二氧化碳进行有效的资源化利用，变废为宝，才能从根本上解决二氧化碳过度排放所引起的各类环境问题。
[0003]现有技术中，2011年，Licht教授，吴红军教授开始采用熔融碳酸锂作为电解质，电解二氧化碳生产碳纳米材料，碳酸锂制备碳纳米材料时，碳酸锂在750℃条件下进行熔融。作为电解质电解二氧化碳制备碳纳米材料。锂在地壳中的含量约为0.0065％，镁在地壳中的含量2.1
‑
2.7％，锂在地球上的存量仅为镁的384分之一。随着新能源汽车的发展，碳酸锂的价格会越来越高，碳酸锂的损耗导致碳纳米材料的生产成本较高。碳酸锂的腐蚀性很强，对整个系统的耐用性有很大影响。但是，碳酸镁在常压下，350℃或560℃以上，就直接分解成氧化镁和二氧化碳，很难达到其熔化温度900℃，并进行电解。
[0004]我们的目标就是要找到锂材料的替代和补充材料制备碳纳米材料。
[0005]在制得了碳材料后，一般采用化学酸洗的方法，来处理沉积碳和碳酸盐的混合物。工业化生产将消耗大量的酸，一方面增加成本，另一方面，大量的废酸，废盐液体排放将造成严重的环境污染。本专利技术采用物理法再熔融，沉积碳和碳酸盐因密度不同而分层，分别取出沉积碳和碳酸盐固体，纯的沉积碳就是碳纳米材料产物、碳酸盐再循环利用，消除酸洗过程，消除污染物排放。

技术实现思路

[0006]本专利技术提出一种碳酸盐的组合物，在压力下熔融电解制备碳纳米材料，解决了现有技术中碳纳米材料制备成本较高的问题。
[0007]本专利技术的技术方案是这样实现的：一种碳纳米材料的工业化制备方法，采用熔融态碳酸盐作为主要电解质在压力下电解制备碳纳米材料，碳纳米材料的工业化制备方法包括以下步骤：
[0008]S1、原料均质：先称取重量份数为1份的碳酸盐，均质后记做电解物质；
[0009]S2、电解准备：在反应炉中安装阳极、阴极和电解质坩埚，将步骤1中得到的电解物质加入电解质坩埚中，在阴极上预先涂覆成核剂材料，反应炉为压力容器，配有加压装置；
[0010]S3、熔融：将电解物质逐步加热，同时，向反应器内部通入二氧化碳气体，启动加压装置将钟罩炉中的压强提高至0.1
‑
100MPa以保证钟罩炉气氛压力大于电解物质中所添加
碳酸盐分解反应产生的二氧化碳分压，继续加热至400
‑
980℃，使碳酸盐在高压和二氧化碳气体保护下，不发生热分解而进入熔融状态；
[0011]S4、电解：设置电压为1
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2V，电流密度为500
‑
1000A/m2，开始预电解，预电解持续15
‑
60min后，将电压增加为1
‑
12V，电流密度增加为1000
‑
15000A/m2，持续1
‑
12h，在电解过程中，阴极表面会富集沉积碳产物；
[0012]S5、取料离心：电解完成后，刮取步骤4所得的沉积碳产物，破碎为粉体后将所得粉体通过物理法再熔融工艺，熔融沉积碳产物粉体，将所得熔融的沉积碳产物粉体投入离心设备进行离心，分离沉积碳和碳酸盐的混合产物，离心所得产物记为产物棒；
[0013]S6、分离：将步骤5所得的产物棒进行切割分离，分别取出沉积碳和碳酸盐固体部分，以及沉积碳和碳酸盐混合的中间层，分别用破碎机将该三部分破碎为粉体，沉积碳粉体即为碳纳米材料产物。
[0014]进一步地，所述步骤1中碳酸盐包括碳酸镁，碳酸钙，碳酸镍，碳酸铅等及其混合物。所述混合物包括碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾等碱金属、碱土金属碳酸盐。所述电解物质中还包括重量份数0
‑
0.25份的捕获剂，所述捕获剂为金属氧化物，所述捕获剂选自氧化锂、氧化钠、氧化钾、氧化铷、氧化铯、氧化钫、氧化镁、氧化钙、氧化锶、氧化钡、氧化锌、氧化铝、氧化铁中的一种或多种。
[0015]进一步地，所述电解物质中还包括重量份数0
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0.25份的添加剂，所述添加剂为氯化物，所述添加剂可以是氯气、氯化钙，氯化镁，氯化钾，氯化铜和氯化锌中的一种或多种。
[0016]进一步地，所述阳极和阴极材料为镍、铂、钛、钌、铱、钯、铁、钨、铬、铜、金、石墨和不锈钢中的一种材料组成的电极或多种材料形成的合金材料电极。
[0017]进一步地，所述成核剂材料为过渡金属氧化物、单壁或多壁碳纳米管、单层或多层石墨烯。
[0018]进一步地，采用物理法再熔融，沉积碳和碳酸盐因密度不同而分层，分别取出沉积碳和碳酸盐固体，以及沉积碳和碳酸盐混合的中间层，并破碎。沉积碳即为碳纳米产物、碳酸盐粉体再循环利用、沉积碳和碳酸盐混合粉体再熔融分离。
[0019]进一步地，所述步骤2中的反应炉为钟罩炉，电极固定在钟罩部分，钟罩可以上下升降，坩埚保持静止。
[0020]进一步地，所述步骤2中的反应炉为升降炉，电极固定在反应炉上部且固定不动，坩埚安装在反应炉下部，可以上下升降。
[0021]进一步地，所述步骤5中熔融的沉积碳产物粉体在熔融后，通过加离心分离工位和负压吸附工位，使得沉积碳和碳酸盐的分离更彻底。
[0022]进一步地，所述步骤6中通过破碎机破碎的粉体中沉积碳粉体进入包装或下一道复合材料生产环节，碳酸盐粉体再回到碳酸盐电解质仓，循环再用，沉积碳和碳酸盐混合粉体再返回分离装置，再次熔融分离，上述碳材料均为碳纳米材料，包括碳纳米管、石墨烯、蜂窝状、球状、片块状碳纳米材料等。
[0023]本专利技术公开的碳纳米材料的工业化制备方法，具有以下有益效果：
[0024]1.采用熔融态碳酸盐作为主要电解质电解制备碳纳米材料，通过采用资源丰富的碳酸盐作为主要电解质原料，大幅降低了碳纳米材料的制备成本，同时，通过进行加压处理，有效提高了二氧化碳转化为碳纳米材料的转化率。
[0025]2.对于其他一些易分解碳酸盐，如碱金属碳酸盐，其它金属碳酸盐，包括碳酸钙、碳酸锶、碳酸钡、碳酸铅、碳酸镍、碳酸锌等，我们可以采用同样的加压和大量二氧化碳保护的方式，外界压力大于其分解反应产生的二氧化碳分压，碳酸盐开始熔化，而不是分解，再进行电解。
附图说明
[0026]图1为实施1制得的碳纳米管材料电子显微镜照片；
[0027]图2为实施1制得的碳纳米管材料拉曼光谱；
[0028]图3为实施2制得的碳纳米管材料电子显微镜照本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米材料的工业化制备方法，其特征在于，采用熔融态碳酸盐作为主要电解质在压力下电解制备碳纳米材料，碳纳米材料的工业化制备方法包括以下步骤：S1、原料均质：先称取重量份数为1份的碳酸盐，均质后记做电解物质；S2、电解准备：在反应炉中安装阳极、阴极和电解质坩埚，将步骤1中得到的电解物质加入电解质坩埚中，在阴极上预先涂覆成核剂材料，反应炉为压力容器，配有加压装置；S3、熔融：将电解物质逐步加热，同时，向反应器内部通入二氧化碳气体，启动加压装置将钟罩炉中的压强提高至0.1
‑
100MPa以保证钟罩炉气氛压力大于电解物质中所添加碳酸盐分解反应产生的二氧化碳分压，继续加热至400
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980℃，使碳酸盐在高压和二氧化碳气体保护下，不发生热分解而进入熔融状态；S4、电解：设置电压为1
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2V，电流密度为500
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1000A/m2，开始预电解，预电解持续15
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60min后，将电压增加为1
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12V，电流密度增加为1000
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15000A/m2，持续1
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12h，在电解过程中，阴极表面会富集沉积碳产物；S5、取料离心：电解完成后，刮取步骤4所得的沉积碳产物，破碎为粉体后将所得粉体通过物理法再熔融工艺，熔融沉积碳产物粉体，将所得熔融的沉积碳产物粉体投入离心设备进行离心，分离沉积碳和碳酸盐的混合产物，离心所得产物记为产物棒；S6、分离：将步骤5所得的产物棒进行切割分离，分别取出沉积碳和碳酸盐固体部分，以及沉积碳和碳酸盐混合的中间层，分别用破碎机将该三部分破碎为粉体，沉积碳粉体即为碳纳米材料产物。2.根据权利要求1所述的碳纳米材料的工业化制备方法，其特征在于，所述步骤1中碳酸盐包括碳酸镁，碳酸钙，碳酸镍，碳酸铅等及其混合物。所述混合物包括碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾等碱金属、碱土金属碳酸盐。所述电解物质中还包括重量份数0
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0.25份的捕获剂，所述捕获剂为金属氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋维宁，吴红军，纪德强，赵媛媛，
申请(专利权)人：江苏绿碳纳米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：