本发明专利技术涉及一种无定形碳材料的协同石墨化方法。先按物质的量比，无定形碳材料:金属盐=1﹕（0.01～0.99），量取无定形碳材料并在搅拌下，将其分散于浓度为0.1~5mol/L金属盐溶液中，静置后过滤，将滤渣于120℃干燥，得到吸附了金属盐的无定形碳材料；再按吸附了金属盐的无定形碳材料:活泼金属=1﹕（0.1～5）质量比，量取以上两种原料并将它们置于带盖坩埚中，将坩埚置于管式炉内，在惰性气体中，以1～50℃/min的速率升温至200～1200℃并保温1～72h，冷却至室温后纯化，即得到石墨化碳材料。本发明专利技术工艺简，重复性好，能耗低，材质均匀，石墨化效果显著；在最大程度保留碳材料多孔特征的前提下，优化碳材料的孔结构，提高其导电性，扩大无定形碳材料的应用范围。
【技术实现步骤摘要】
—种无定形碳材料的协同石墨化方法,涉及一种石墨化碳材料的制备方法。采用金属盐与熔融的活泼金属协同作用，在200 1200°C温度下将无定形碳材料转变为石墨化碳材料的方法，属于碳材料
技术介绍
无定形碳材料具有较高的比表面积、抗腐蚀性、可导电性、价格低廉等优点，可用于电吸附材料、能源材料(包括双电层电容器、电池材料等)等领域。对无定形碳材料石墨化，可以提高无定形碳材料的导电性，进一步降低无定形碳材料的电阻，优化其孔结构，提高电容稳定性，从而扩大该类材料的应用范围。 由于高温石墨化方法导致碳材料高度晶格化，引起碳颗粒粒径尺度增大，使碳材料中的孔结构遭到严重破坏以及比表面积急剧下降，破坏了碳材料原有结构特性。低温石墨化则可以在最大程度上保留碳材料原有的结构特征，同时提高碳材料的导电性并可以优化其孔结构和表面性质。目前，关于无定形碳材料的低温石墨化方法主要是将过渡金属化合物作为催化剂，添加到无定形碳材料中，然后在惰性气保护下加热得到具有石墨结构的碳材料。公开号为US 2005/0008562 Al的美国专利报道了一种将高分子碳前驱体、过渡金属盐以及无机氧化物材料混合，然后对该混合物进行催化石墨化，最后除去样品中的无机氧化物和过渡金属盐，得到结晶性好、比表面积高的碳材料的方法，但是该方法制备条件和工艺过程复杂，应用范围较窄。我们先前也公开了一种关于无定形碳材料低温石墨化方法(专利公开号为CN 101723356A)，在500 900°C和惰性气体保护下，将无定形碳材料分散在液态活泼金属中，转变为石墨化碳材料。但是该方法得到的碳材料的石墨化程度不高，均匀性不好。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种在金属盐与活泼金属协同作用下，使无定形碳材料发生石墨化的简便而有效的方法。为了达到上述目的，本专利技术采用含有金属盐的无定形碳与熔融的活泼金属一起加热的方法，在较低温度条件下得到具有高石墨化度、材质均匀的石墨化碳材料。这种金属盐与活泼金属协同作用，使得无定形碳的石墨化效果显著增加，可以大大提高无定形碳的导电性、优化其孔结构和表面性质。根据专利检索和文献调研的结果，这种关于无定形碳的协同石墨化的方法未见报道。该方法的工艺过程简单，便于操作，石墨化温度低并可以在最大程度保留无定形碳材料结构特征的前提下，对其进行石墨化，从而可扩展无定形碳材料的应用范围。本专利技术方法与我们之前申请的公开号为CN101723356A的专利所述方法相比(通过专利说明书所附的XRD图和激光拉曼光谱图进行比较)，由本专利技术方法所得石墨化碳材料的石墨化程度显著提高；与公开号为US2005/0008562A1的专利所报道的方法相比(通过专利说明书所附的透射电子显微镜图片和激光拉曼光谱图进行比较)，由本专利技术方法所得到的石墨化碳材料的材质更加均勻、石墨化效果也更为显著，能适用于更加广泛的无定形碳材料的石墨化。本专利技术提供的无定形碳材料协同石墨化方法的步骤如下第一步，将无定形碳分散于金属盐溶液中，静置后过滤，然后在常压下，于120°C干燥，得到吸附了金属盐的无定形碳材料；第二步，将第一步制备的吸附了金属盐的无定形碳材料和活泼金属一起置于带盖的惰性材质的坩埚中，将坩埚置于管式炉内，在惰性气体保护下，以I 50°C /min的速率升温至200 1200°C并保温I 72h，然后冷却至室温，取出产物，得到石墨化碳材料； 第三步，先用蒸馏水洗涤由第二步得到的产物，至洗液的pH值呈中性，然后用质量百分浓度为I 30%的无机酸溶液洗涤，除去石墨化碳材料中的金属或金属化合物，再用蒸馏水洗涤至洗液的PH值呈中性，置于烘箱中于120°C干燥，得到纯化的石墨化碳材料。第一步所述的无定形碳材料可以是市售活性炭、由植物或动物骨经碳化处理得到的无定形碳、煤炭、中间相浙青碳或由其它高分子有机物经碳化处理得到的无定形碳粉体、无定形碳纤维、无定形碳气凝胶、无定形碳泡沫和无定形有序介孔碳中的一种。第一步所述的金属盐溶液是含有铁、钴、镍、锰、铜、锌、铬、钛、钒、钥和钨的金属盐溶液中的一种，其中无定形碳材料与金属盐的物质的量比为无定形碳材料金属盐=1 (0. 01 0. 99)。金属盐溶液的浓度为0. I 5mol/L。第二步所述的活泼金属可以是金属锂、金属钠和金属钾中的一种。第二步所述的吸附了金属盐的无定形碳材料和活泼金属的质量比为金属盐的无定形碳材料活泼金属=1 : (0. I 5)。第二步所述的惰性材质坩埚是指与活泼金属不发生反应的材料制成的坩埚，可以是氧化铝坩埚、氮化硅坩埚、氮化铝坩埚、氮化硼坩埚或碳化硅坩埚。第二步所述的惰性气体可以是氩气和氮气中的一种。第三步所述的无机酸可以是盐酸、硝酸和氢氟酸中的一种。本专利技术具有如下的优点和效果I.由于本专利技术先将金属盐引入无定形碳体系中，然后在金属盐与活泼金属协同作用下，使无定形碳材料发生石墨化，因此本专利技术可以在低温下得到高石墨化度、石墨晶体结构完整的碳材料，在保留碳材料原有基本结构特征的前提下，提高其导电性，优化其孔结构，扩大其应用范围。2.本专利技术提供的的工艺简单，可在较低温度下进行，降低能耗，可适用于多种无定形碳材料的协同石墨化，质量稳定，工艺重复性好。3.本专利技术与公开号为US2005/0008562A1的专利所述方法的不同之处在于本专利技术的方法可以对已经具有一定结构特征的无定形碳材料进行石墨化而前者专利技术则不能，因此，由本专利技术的方法可以大大扩展无定形碳材料的石墨化范围。另外，由本专利技术方法所得到的石墨化碳材料的材质更加均匀、石墨化效果更显著。4.本专利技术与我们之前申请的公开号为CN101723356A的专利所述方法相比，在相同条件下，由本专利技术方法得到的碳材料的石墨化度高达84%，而按先前专利所属方法，碳材料的石墨化度最高为40% ;由本专利技术方法得到的石墨化碳材料的更为均匀。附图说明图I分别为由协同石墨化方法和非协同石墨化方法所得样品的XRD图谱。图中协同石墨化方法为本专利技术的方法，是将吸附了硝酸铁的活性炭在熔融金属钠中于800°C发生石墨化的方法；图中非协同石墨化方法是按照公开号为CN101723356A的专利所述方法，将纯活性炭在熔融金属钠中于800°C发生石墨化的方法。图2为本专利技术实施例I制备的石墨化碳材料的拉曼谱图。图中协同石墨化方法为本专利技术的方法，是将吸附了硝酸铁的活性炭在熔融金属钠中，于800°C发生石墨化的方法；图中非协同石墨化方法是按照公开号为CN101723356A的专利所述方法，将纯活性炭在熔融金属钠中于800°C发生石墨化的方法。 图3为本专利技术实施例I制备的石墨化碳材料的透射电子显微镜照片。图4为非协同石墨化方法，即，按照公开号为CN101723356A的专利所述的方法，将纯活性炭在熔融金属钠中于800°C发生石墨化的碳材料的透射电子显微镜照片。具体实施例方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步阐述，但本专利技术并不限于以下实施例。实施例I(I)吸附了硝酸铁的活性炭材料的制备称取市售活性炭300mg，在室温下将其分散在25mL，浓度为0. 5mol/L的硝酸铁溶液中，搅拌2h，然后静置24h，经过滤后，将过滤得到的滤碴置于烘箱中，于120°C干燥24h，得到吸附了硝酸铁的活性炭材料。(2)吸附了硝酸铁的活性炭材料石墨化称取由(I本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种无定形碳材料的协同石墨化方法，包括如下步骤：第一步，吸附了金属盐的无定形碳材料的制备将无定形碳材料在搅拌条件下分散于金属盐溶液中，静置后过滤，将滤渣在常压下于120℃干燥，得到吸附金属盐的无定形碳材料；上述无定形碳材料与金属盐的物质的量比为：无定形碳材料﹕金属盐=1﹕（0.01～0.99）；上述金属盐溶液为包括铁、钴、镍、锰、铜、锌、铬、钛、钒、钼和钨的金属盐溶液中的一种，金属盐溶液的浓度为0.1~5mol/L；第二步，吸附金属盐的无定形碳材料石墨化按质量比为吸附金属盐的无定形碳材料：活泼金属=1﹕（0.1～5）的比例，量取第一步制备的吸附金属盐的无定形碳材料和金属钠，将它们一起置于带盖的惰性材质坩埚中，将坩埚置于管式炉内，在惰性气体保护下，以1～50℃/min的速率升温至200～1200℃并保温1～72h，然后冷却至室温，得到石墨化碳材料；上述活泼金属选自金属锂、金属钠和金属钾中的一种；所述惰性材质坩埚是氧化铝坩埚、氮化硅坩埚、氮化铝坩埚、氮化硼坩埚或碳化硅坩埚；第三步，石墨化碳材料的纯化先用蒸馏水洗涤由第二步得到的石墨化碳材料，至洗液的pH值呈中性，再用质量百分浓度为1～30%的无机酸溶液洗涤，除去石墨化碳材料中的金属或金属化合物，接着再用蒸馏水洗涤至洗液的pH值呈中性，过滤后置于烘箱中于120℃进行干燥，最终得到纯化的石墨化碳材料；所述的无机酸溶液是盐酸、硝酸和氢氟酸中的一种。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：徐子颉，夏炳忠，王芬芬，吉涛，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：
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