一种高纯碳材料及其制备方法技术

本公开提供了一种高纯碳材料及其制备方法，该方法包括：将碳源与凝胶材料混合配制成混合水溶液，碳源为可溶性糖；加入氧化剂和还原剂使混合水溶液凝胶固化形成凝胶体；将凝胶体预热后得到碳中间体；碳糖中间体经碳化处理得到高纯碳材料。本发明专利技术方法以廉价的水溶性糖类物质为碳源材料，通过使糖类物质被凝胶体固定，抑制其加热分解过程中的不可控发泡和碳流失，可使糖类物质中碳收得率达到其理论含碳量的90％以上。本发明专利技术将繁杂的碳提纯工艺改为简单的糖和辅料的水溶液提纯工艺，可以较容易地制取杂质含量低于5ppm的超高纯碳材料。整个工艺过程均非常简便，适合于工业化生产超高纯度碳材料。碳材料。碳材料。

【技术实现步骤摘要】
一种高纯碳材料及其制备方法


[0001]本公开涉及碳材料
，尤其涉及一种高纯碳材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳材料具有耐高温、良好的导电导热性、抗热震性以及化学稳定性等，在一些特殊行业和高科技领域内有着举足轻重的地位，如原子能、航空航天、新能源、汽车工业等，这些行业使用的碳材料常常要求碳含量在99.9％以上的纯度，特别是半导体行业制备SiC晶圆所需的碳源材料甚至要求达到99.9995％以上的超高纯度。
[0003]近年来，人们根据碳(石墨)材料化学性质非常稳定以及具有极高沸点的特征，开发出了多种提纯工艺。最早的提纯法是采用经过悬浮法提纯后的天然石墨粉为原料，进行酸碱法提纯，根据石墨中部分杂质在高温下可与NaOH反应，生成水溶性产物，用水浸取洗涤而被除去，再用HCl浸泡使另外一部分杂质转变为可溶性的氯化物，用水洗涤而除去。酸碱法可以使碳含量为87％～88％的石墨纯化到99％以上，但是该法容易造成水污染，且难以纯化达到99.9％以上的水平。
[0004]氢氟酸提纯法利用氢氟酸和混合酸在常温常压下几乎可以溶解碳(石墨)中的全部矿物质，生成溶于水的化合物及挥发物，然后用水冲洗除去杂质化合物，从而达到提纯的目的。氢氟酸法提纯石墨的研究非常活跃，现已实现了工业化生产。专利CN 101367517A通过蒸汽加热使混合酸溶液(氢氟酸、盐酸、硝酸、硫酸溶液和水)与碳(石墨)中的杂质反应，经洗涤、搅拌、甩干和烘干等工序除去碳(石墨)中的杂质，提纯后的石墨固定碳含量可以达到99.99％至99.995％。该法容易造成水污染，对设备耐腐蚀性要求高，成本也较高。
[0005]氯化焙烧法是将碳(石墨)在一定高温和特定的气氛下焙烧，再通入氯气，与碳(石墨)中杂质进行氯化反应，生成气相或熔沸点较低的氯化物及凝聚络合物逸出，从而达到提纯的目的。有时也辅以通入其他气体以达到更好的效果。专利CN 101357761A在密闭的石墨化炉中，先通入惰性气体保护升温至2000～2400℃，然后通入氯气25～35小时，再升温至2450～2600℃，通入氟利昂或四氟乙烷18～25小时进行石墨化提纯，得到了灰分含量小于50ppm的高纯石墨型材。该法容易造成气体污染，对设备耐腐蚀性要求更高，能耗大，成本也较高。
[0006]高温提纯法是在高温石墨化技术的基础上发展而成。石墨是自然界中熔沸点最高的物质，高于所含杂质的熔点和沸点，因此理论上认为，只要将石墨原料加热到3000℃以上，就可以利用杂质沸点低的性质，使它们率先气化而脱除，保温一定时间后，就可以将绝大部分杂质除掉。有研究用高温石墨化法提纯石墨，使石墨的含碳量达到99.99％以上。但高温法提纯石墨有以下问题：
①
高温提纯法的原料纯度要求一般是99％以上，一般应使用预先经过提纯的石墨原料，增加成本；
②
对于沸点超过石墨化高温(3000℃)的杂质元素，如Ti、V、Mo、W等，仍然无法脱除；
③
高温提纯法适于细石墨粉的提纯，需使用石墨坩埚装载，而石墨坩埚杂质含量必须低于待提纯石墨材料，否则，石墨坩埚材料中逸出的杂质就会向待提纯石墨材料扩散，造成石墨纯化效果差，这对耗材石墨坩埚的要求就很高，进一步增加成
本；
④
所用装置要求高，能耗大。
[0007]除上述以天然石墨粉为原料经提纯而获得高纯度石墨材料外，也可以用高纯度高残碳收率的树脂热分解来获得高纯度碳材料，但其原料成本和工艺成本均很高，主要在一些特殊用途条件下才使用。例如，用聚丙烯腈纤维制备高强度碳纤维或高模量石墨纤维；用酚醛树脂有机溶液浸渍法制备碳/碳复合材料；用酚醛树脂多孔体高温热解制备碳泡沫；用间苯二酚
‑
甲醛水凝胶制备碳气凝胶材料等等。
[0008]上述制备碳材料的方法存在成本高、对环境不友好、碳材料纯度低等缺陷，因此需要一种成本低、对环境友好且能制备出高纯度碳材料的方法。

技术实现思路

[0009]本公开提供了一种高纯碳材料及其制备方法，以至少解决现有技术中存在的以上技术问题。
[0010]根据本公开的第一方面，提供了一种高纯碳材料的制备方法，所述方法包括：
[0011]将碳源与凝胶材料混合配制成混合水溶液，所述碳源为可溶性糖；
[0012]加入氧化剂和还原剂使混合水溶液凝胶固化形成凝胶体；
[0013]将凝胶体预热后得到碳中间体；
[0014]碳糖中间体经碳化处理得到高纯碳材料。
[0015]在一可实施方式中，所述可溶性糖包括蔗糖、葡萄糖、果糖中的一种或多种。
[0016]在一可实施方式中，所述凝胶材料为丙烯酸和聚乙二醇二丙烯酸酯。
[0017]在一可实施方式中，所述方法还包括:
[0018]对所述可溶性糖进行预处理：将所述可溶性糖的水溶液在离子交换柱中过滤多次以除去杂质。
[0019]在一可实施方式中，所述混合水溶液中，可溶性糖、丙烯酸、聚乙二醇二丙烯酸酯、水的重量比为80～300：20～60：0.2～1.5：100。
[0020]在一可实施方式中，所述方法还包括:
[0021]对所述凝胶材料进行预处理：将凝胶材料在离子交换柱中过滤多次以除去杂质。
[0022]在一可实施方式中，所述混合水溶液凝胶固化形成凝胶体，包括：
[0023]边搅拌边向混合水溶液中加入氧化剂和还原剂，搅拌均匀后，在室温静置2～20min，混合水溶液原位凝胶固化成透明凝胶体；
[0024]其中，所述氧化剂为浓度为2～5％的过氧化氢水溶液，其加入量为混合水溶液重量的0.3～2.0％；
[0025]所述还原剂为浓度为2～5％的抗坏血酸水溶液，其加入量为混合水溶液重量的0.3～2.0％。
[0026]在一可实施方式中，所述将凝胶体预热后得到碳中间体，包括：
[0027]凝胶体在100℃
‑
220℃温度间连续或阶梯式升温预碳化40～100h，得到碳中间体。
[0028]在一可实施方式中，所述碳糖中间体经碳化处理得到高纯碳材料，包括：
[0029]将碳中间体置于真空或氩气保护的高温炉中，升温至1200℃或以上温度，保温2～4h后随炉冷却，得到高纯碳材料。
[0030]根据本公开的第二方面，提供了一种高纯碳材料，根据上述制备方法得到。
[0031]本专利技术提供一种高纯碳材料及其制备方法，将碳源与凝胶材料混合配制成混合水溶液，所述碳源为可溶性糖；再加入氧化剂和还原剂使混合水溶液凝胶固化形成凝胶体；然后将凝胶体预热后得到碳中间体；最后碳糖中间体经碳化处理得到高纯碳材料。本专利技术与现有技术相比，至少具备以下有益效果：
[0032](1)本专利技术将可溶性糖作为碳源，由于糖类物质是在自然界可循环再生且由植物体提取的材料，廉价易得，无毒无害，易于提纯；另外糖类物质只含有C、H、O元素，不存在NO
x
有害气体污染环境问题，产物中也不会引入N、S杂质元素；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高纯碳材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：将碳源与凝胶材料混合配制成混合水溶液，所述碳源为可溶性糖；加入氧化剂和还原剂使混合水溶液凝胶固化形成凝胶体；将凝胶体预热后得到碳中间体；碳糖中间体经碳化处理得到高纯碳材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可溶性糖包括蔗糖、葡萄糖、果糖中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述凝胶材料为丙烯酸和聚乙二醇二丙烯酸酯。4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括:对所述可溶性糖进行预处理：将所述可溶性糖的水溶液在离子交换柱中过滤多次以除去杂质。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述混合水溶液中，可溶性糖、丙烯酸、聚乙二醇二丙烯酸酯、水的重量比为80～300：20～60：0.2～1.5：100。6.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括:对所述凝胶材料进行预处理：将凝胶材料在离子交换柱中过滤多次以除去杂质。7.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈大明，张幸红，孙博谦，赵科湘，莫建新，侯臣霖，宋俊涛，张文正，蒋丹宇，
申请(专利权)人：株洲科能新材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：