一种氮氧掺杂碳纳米角及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种氮氧掺杂碳纳米角及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：在第一保护气体环境下，针对碳源进行热裂解处理，冷却后获得热裂解炭黑，所述碳源为废旧轮胎粉末；将所述热裂解炭黑作为阳极，高纯石墨棒作为阴极，在第二保护气体环境下进行等离子体处理，待反应结束后，获得氮氧掺杂碳纳米角。所述氮氧掺杂碳纳米角采用上述制备方法制备获得，且能够在超级电容器中应用。本发明专利技术的有益效果包括：所用的原料丰富且廉价易得，制备工艺简单、易操作、周期短，无需引入催化剂，对环境友好，为回收与利用废旧轮胎提供了新思路。路。路。

【技术实现步骤摘要】
一种氮氧掺杂碳纳米角及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及废旧轮胎回收处理
，具体来讲，涉及一种采用废旧轮胎制备氮氧掺杂碳纳米角的制备方法、一种氮氧掺杂碳纳米角、以及一种氮氧掺杂碳纳米角的应用。

技术介绍

[0002]轮胎成分相对复杂，主要由55～60％的橡胶、30～33％的炭黑、6～9％的有机助剂以及3～6％的无机助剂组成，废旧轮胎经热解后可以回收油品、热裂解气和热裂解炭黑。针对废旧轮胎的回收利用，大部分废旧轮胎则大量流入“土法炼油”作坊，给生态环境造成了难以弥补的破坏，其提炼的裂解油、裂解炭黑等产品大多品质低下，有待进一步改善。例如，公开号为CN212560100U的中国技术专利公开了一种改变炭黑结构用于轮胎制造的废轮胎裂解炭黑加工系统，裂解过程采用裂解碳化和高温水蒸气活化扩孔相结合技术，并在炭黑深加工中采用研磨改性一体技术再次改性提质，明显改变了废轮胎裂解炭黑的结构，使裂解产物品质显著提高，可以作为补强炭黑用于制作新轮胎。但该系统制备的炭黑用途比较单一，难以提高废旧轮胎回收的经济效益。
[0003]相关研究被证实废旧轮胎还可以制备成碳纳米材料，例如，公开号为CN110844900A的中国专利技术专利公开了一种以废旧轮胎为原料制备碳纳米管的方法，将催化剂与废轮胎颗粒均匀混合，置于高温管式炉中，在氮气氛围下，升温至700～900℃；随后经硝酸处理干燥后放入马弗炉，升温至500～700℃保温得到碳纳米管。该专利技术的产率可达30％以上，但其制备过程相对繁琐，且在制备过程中采用了复合催化剂，不利于后期清洗处理。虽然碳纳米材料具有较强的机械性能、良好的导电性及较高的比表面积，但由于碳纳米材料结构比较完整，活性位点相对较少，因此，大大限制了碳纳米材料的水溶性和反应活性。当前，通过杂原子掺杂来改善碳纳米材料的活性，已成为碳纳米材料的研究热点之一，其中，氮、氧元素的掺杂改性备受欢迎。研究表明，通过对碳纳米角进行氮、氧掺杂可应用于超级电容器，能显著提高其比电容。
[0004]碳纳米角最早由饭岛澄男发现，是继碳纳米管后的又一种新兴的碳纳米材料。碳纳米角通常以直径为50～100nm的球形聚集体存在，聚集体的形貌分为大丽花状，种子状及芽状。单壁碳纳米角一端为封闭的锥形结构，另一端为开口结构，直径为2～5nm，长为10～50nm，角锥约为20
°
，其顶端由碳的五元环，六元环和七元环组成。碳纳米角因其角锥状空心结构及其独特的形貌在锂离子电池、燃料电池、催化剂载体和药物运输载体等方面具有较大应用潜力。现阶段制备碳纳米角的方法主要为激光法和电弧等离子体法，其中激光法制备的碳纳米角的成本较高，而直流电弧等离子体法制备的碳纳米角纯度高、效率高，且等离子体技术近年来因其具有反应速度快、环境友好型等特点备受青睐，有利于进一步实现工业化生产。
[0005]因此，为了更有利于资源化可持续发展，本专利技术采用直流电弧等离子体技术处理废旧轮胎原位制备氮氧共掺杂碳纳米角。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本专利技术的目的之一在于解决大量废旧轮胎的资源浪费、环境污染以及热裂解炭黑回收利用率低的问题，目的之二在于实现资源循环利用，发挥废旧轮胎的回收利用价值，为废旧轮胎的合理回收利用提供新思路。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术一方面提供了一种氮氧掺杂碳纳米角的制备方法，所述制备方法可包括以下步骤：在第一保护气体环境下，针对碳源进行热裂解处理，冷却后获得热裂解炭黑，所述碳源为废旧轮胎粉末；将所述热裂解炭黑作为阳极，高纯石墨棒作为阴极，在第二保护气体环境下进行等离子体处理，待反应结束后，获得所述氮氧掺杂碳纳米角。
[0008]进一步地，所述制备方法还可包括：在所述等离子处理之前，针对所述热裂解炭黑进行酸洗脱灰处理，获得酸化后的热裂解炭黑。
[0009]进一步地，在所述热裂解处理过程中，热裂解温度可为200～500℃，升温速率可为1～10℃/min，保温总时间可为2～4h。
[0010]进一步地，所述热裂解处理可包括第一阶段热解和第二阶段热解，所述热裂解温度可包括第一热解温度和第二热解温度，所述保温总时间可包括第一保温时间和第二保温时间。其中，在第一阶段热解过程中，第一热解温度可为200～300℃，第一保温时间可为1～2h；在第二阶段热解过程中，第二热解温度可为400～500℃，第二保温时间可为1～2h。
[0011]进一步地，所述第一保护气体可为氮气或氩气中的至少一种，所述第二保护气体可为氮气。
[0012]进一步地，所述酸洗脱灰处理可包括：利用酸性溶液对所述热裂解炭黑进行酸洗脱灰处理，冷却至室温，完成抽滤、洗涤和干燥处理。其中，酸性溶液可为盐酸、硝酸和硫酸中的至少一种，酸化温度可为60～120℃，酸化时间可为0.5～2h；洗涤处理使用的洗涤液可为去离子水或无水乙醇中的至少一种；干燥温度可为60～100℃，时间可为6～12h。
[0013]进一步地，所述阴极与所述阳极的间距可为2～5mm；所述第二保护气体的压力可为50～80kPa；所述等离子体处理的放电电流可为100～200A。
[0014]进一步地，所述制备方法还可包括：在所述等离子处理之前，将所述热裂解炭黑压块成型；其中，压块成型的压力可为5～10MPa，保压时间可为0.5～2min。
[0015]本专利技术另一方面提供了一种氮氧掺杂碳纳米角，所述氮氧掺杂碳纳米角可采用上述的氮氧掺杂碳纳米角的制备方法制备获得。
[0016]本专利技术再一方面还提供了上述的氮氧掺杂碳纳米角在超级电容器中的应用。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果可包括以下至少一项：
[0018](1)本专利技术利用废轮胎作为原料，廉价易得，解决了大量废旧轮胎的资源浪费，有利于实现资源合理化利用；
[0019](2)本专利技术无需引入催化剂，对环境友好，减少了环境污染；
[0020](3)本专利技术制备工艺简单、易操作、条件可控、耗时短、纯度高、效率高，无需后续处理工序，为废旧轮胎的处理以及提高废旧轮胎的利用率提供了新思路；
[0021](4)本专利技术制备的氮氧共掺杂碳纳米角的表面缺陷较多，能够提供较多的活性位点，在催化领域与电池领域中具有广泛的应用。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0023]图1示出了本专利技术废旧轮胎原位制备氮氧共掺杂碳纳米角的方法的流程示意图；
[0024]图2示出了示例1制备的氮氧共掺杂碳纳米角的透射电子显微镜图；
[0025]图3示出了示例2制备的氮氧共掺杂碳纳米角的透射电子显微镜图；
[0026]图4示出了示例3制备的氮氧共掺杂碳纳米角的透射电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮氧掺杂碳纳米角的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：在第一保护气体环境下，针对碳源进行热裂解处理，冷却后获得热裂解炭黑，所述碳源为废旧轮胎粉末；将所述热裂解炭黑作为阳极，高纯石墨棒作为阴极，在第二保护气体环境下进行等离子体处理，待反应结束后，获得所述氮氧掺杂碳纳米角。2.根据权利要求1所述的氮氧掺杂碳纳米角的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：在所述等离子处理之前，针对所述热裂解炭黑进行酸洗脱灰处理，获得酸化后的热裂解炭黑。3.根据权利要求1或2所述的氮氧掺杂碳纳米角的制备方法，其特征在于，在所述热裂解处理过程中，热裂解温度为200～500℃，升温速率为1～10℃/min，保温总时间为2～4h。4.根据权利要求3所述的氮氧掺杂碳纳米角的制备方法，其特征在于，所述热裂解处理包括第一阶段热解和第二阶段热解，所述热裂解温度包括第一热解温度和第二热解温度，所述保温总时间包括第一保温时间和第二保温时间；其中，在第一阶段热解过程中，第一热解温度为200～300℃，第一保温时间为1～2h；在第二阶段热解过程中，第二热解温度为400～500℃，第二保温时间为1～2h。5.根据权利要求1或2所述的氮氧掺杂碳纳米角的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁风，侯圣平，张涛，张达，向孙祖，沈可，雷勇，杨斌，
申请(专利权)人：江苏风驰碳基新材料研究院有限公司，
类型：发明
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