[發(fā)明專(zhuān)利]一種由木質(zhì)纖維素制備碳微球的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310533227.8
• 申請(qǐng)日: 2013-10-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103588190A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-02-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邢建民;楊茂華;劉誼蘭;王彩霞;閆道江
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所
• 主分類(lèi)號(hào): C01B31/02
• 分類(lèi)號(hào): C01B31/02
• 代理公司: 北京法思騰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;楊青

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米碳材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種由木質(zhì)纖維素制備碳微球的方法。

背景技術(shù)

碳微球具有密度低、本征阻尼性能好、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性高、比表面積可控和生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)碳材料研究熱點(diǎn)之一。碳微球在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料、金屬基阻尼材料、催化劑載體、鋰離子電池負(fù)極材料、超級(jí)電容器材料和燃料電池等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前合成碳微球的方法有多種，如電弧放電法、化學(xué)氣相沉積法以及水熱法等。水熱法以其原料來(lái)源廣泛、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，逐步成為制備碳微球的優(yōu)選途徑。多種糖類(lèi)物質(zhì)，如葡萄糖、木糖、蔗糖等，都可以作為碳源，在高溫高壓的環(huán)境下，通過(guò)脫水、聚合等反應(yīng)，生成碳微球。目前制備碳微球所需的反應(yīng)溫度一般要達(dá)到200℃以上，反應(yīng)時(shí)間要維持?jǐn)?shù)小時(shí),反應(yīng)強(qiáng)度過(guò)高是目前制備碳微球面臨的主要問(wèn)題。

木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)主要是由碳、氫、氧三種元素組成，其中碳元素含量達(dá)到了50%，是制備碳材料的理想原料。有研究發(fā)現(xiàn)玉米芯通過(guò)濃硫酸水解，可以得到以木糖為主的五碳糖和以葡萄糖為主的六碳糖，兩種糖均可通過(guò)水熱法制備碳微球，這就證明了木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)制備碳微球路線的可行性，將是未來(lái)的發(fā)展方向。但是，濃硫酸處理木質(zhì)纖維素會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題，如硫酸的引入會(huì)產(chǎn)生大量的酸性廢水，處理酸性廢水會(huì)大大增加生產(chǎn)成本，增加系統(tǒng)工藝的復(fù)雜性等。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種木質(zhì)纖維素制備碳微球的方法，該方法以木質(zhì)纖維素為原料，利用水熱法制備碳微球。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種由木質(zhì)纖維素制備碳微球的方法，以木質(zhì)纖維素為碳源，經(jīng)過(guò)水熱反應(yīng)后，離心分離，收集得到直徑為50-1000nm的碳微球，其中，水熱反應(yīng)條件為：溫度為120-200℃，時(shí)間為1-200分鐘。

具體的，本發(fā)明提供的以木質(zhì)纖維素制備碳微球的方法，包括以下步驟：

1）將木質(zhì)纖維素粉碎至1-10mm大小，與水混合，反應(yīng)時(shí)間為1～200min，固液比為1:5-1:50；所述水為自來(lái)水或去離子水；

優(yōu)選的，所述木質(zhì)纖維素包括玉米秸稈、小麥秸稈、水稻稈、高粱稈、楊木和松木中的一種或多種。

2）將木質(zhì)纖維素和水的混合物加入到可攪拌高溫水反應(yīng)器中，反應(yīng)器溫度控制在120-200℃，反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫。冷卻到室溫的方式包括冷凝水冷卻或自然冷卻。

優(yōu)選的，反應(yīng)時(shí)攪拌速度為0～200RPM。

步驟3：將步驟2得到的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行固液分離，液相部分離心收集，得到的固體經(jīng)去離子水洗滌，得到分散性好的碳微球。

本發(fā)明得到的碳微球分散性好，尺寸可控，碳微球的直徑在50-1000nm。

本發(fā)明所述一種木質(zhì)纖維素制備碳微球的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：以可再生的木質(zhì)纖維素為碳源，原料來(lái)源廣泛；水熱反應(yīng)強(qiáng)度低、工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需添加化學(xué)試劑，環(huán)境友好；制備的碳微球尺寸可控、分散性好。

附圖說(shuō)明

圖1、實(shí)施例1制備的碳微球的掃描電鏡（SEM）照片。

圖2、實(shí)施例3制備的碳微球的掃描電鏡（SEM）照片。

具體實(shí)施方式

以下為本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例，其僅用作對(duì)本申請(qǐng)的解釋而不是限制。

實(shí)施例1：

步驟1：將玉米秸稈粉碎至1厘米大小，與自來(lái)水混合，固液比為1:10。

步驟2：將玉米秸稈和水的混合物加入到可攪拌高溫水反應(yīng)器中，反應(yīng)器溫度控制在160℃，反應(yīng)時(shí)間為20分鐘，攪拌速度為100轉(zhuǎn)/分，反應(yīng)結(jié)束后，冷凝水冷卻或自然冷卻至室溫。

步驟3：將步驟2得到的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾布進(jìn)行固液分離，液相部分離心收集（7000rpm×10min），然后經(jīng)過(guò)去離子水洗滌，得到分散性好的碳微球，其SEM圖片如圖1所示，其平均粒徑約為200nm。

實(shí)施例2：

步驟1：將小麥秸稈粉碎至0.1厘米大小，與去離子水混合，固液比為1:20。

步驟2：將小麥秸稈和水的混合物加入到可攪拌高溫水反應(yīng)器中，反應(yīng)器溫度控制在190℃，反應(yīng)時(shí)間為5分鐘，攪拌速度為100轉(zhuǎn)/分，反應(yīng)結(jié)束后，冷凝水冷卻或自然冷卻至室溫。

步驟3：將步驟2得到的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾布進(jìn)行固液分離，液相部分離心收集（7000rpm×10min），然后經(jīng)過(guò)去離子水洗滌，得到分散性好的碳微球，其平均粒徑約為600nm。

實(shí)施例3：

步驟1：將楊木粉碎至0.1厘米大小，與自來(lái)水混合，固液比為1:20。