[發明專利]一種聚酯低溫碳化制備多孔碳材料的方法

有效

• 申請號: 202010151318.5
• 申請日: 2020-03-06
• 公開（公告）號: CN111410184B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發明（設計）人: 龔江;劉寧;郝亮;張博易
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 彭翠;李智

本發明屬于聚合物碳化技術領域，更具體地，涉及一種聚酯低溫碳化制備多孔碳材料的方法。將聚酯和過渡金屬氧化物的混合物在不高于500℃條件下進行加熱碳化，經后處理后制得多孔碳材料；其中，所述過渡金屬氧化物在加熱碳化過程中促進聚酯發生脫羧反應，消除聚酯中弱的含氧化學鍵，生成中間降解產物，所述中間降解產物通過交聯、環化和/或芳構化反應構建碳材料骨架，形成多孔碳材料。本發明采用一步碳化的方法，利用過渡金屬氧化物在較低溫度下促進廢聚酯碳化來制備高比表面積的多孔碳材料，為將大量廉價的城市和工業廢舊聚酯轉化為高附加值的多孔碳材料提供了新方法。

技術領域

本發明屬于聚合物碳化技術領域，更具體地，涉及一種聚酯低溫碳化制備多孔碳材料的方法。

背景技術

近年來高分子材料的快速發展，以聚酯塑料為代表的高分子材料在纖維、工程塑料和包裝材料等領域得到大規模的應用，用量也逐年增長。這些材料在使用后會產生大量的固體廢棄物，其在自然條件下降解一般需要上百年的時間，這對環境保護和可持續發展造成巨大的壓力。因此，廢舊聚酯回收、處理和循環再利用是一個迫切需要解決的問題，并且越來越受到世界各國的重視。

一般的，廢聚酯制品處理方法有填埋、焚燒、物理回收和化學回收。填埋法簡單，但是也存在很大弊端，比如占用大量的土地面積、污染環境、經濟投入比較大、浪費資源等。焚燒法可以達到廢棄聚酯處理的目的，但是在焚燒過程中會產生大量有害氣體，易造成嚴重的大氣污染，也會危害人類健康。物理回收法是指將廢舊聚酯熔融后再重新成型的過程，具有工藝簡單、投資少、處理成本低等優點，但對廢聚酯原料純度要求高，而且再生產品存在降級使用的局限性。化學法回收利用是指將廢舊聚酯在水、醇、胺類等解聚劑的作用下，分子鏈逐步降解至小分子單體或聚合度較低的化合物，然后經分離和提純等工序得到原料單體，并以此重新聚合制備聚酯的過程。此方法雖然能夠得到質量高的產品，但工藝復雜、成本較高、難以分離純化和應用。

為有效利用廢物資源，減輕環境污染問題，將廢聚酯轉化成高附加值的碳材料，則為廢棄聚酯的資源化再利用開辟了新途徑。在眾多類型的碳材料中,多孔碳材料因具有高度發達的孔隙結構、化學穩定性高、高的比表面積和優異的導電性,被廣泛應用于能源存儲與轉化、分離分析、催化和吸附等諸多領域。迄今為止，各國學者對聚酯轉化為多孔碳材料的可行性進行了一些研究。比如，Wen等在700℃下利用有機改性蒙脫土催化聚酯進行裂解、碳化，之后在700℃下通過KOH活化制備多孔碳納米薄片，比表面積高達2236m²/g，在超級電容器中表現出優異的性能(Porous carbon nanosheet with high surface area derivedfrom waste poly(ethylene terephthalate)for supercapacitorapplications.Journal of Applied Polymer Science 2020,136,48338)；該方法的缺點是條件苛刻，大量酸和堿的使用容易造成設備腐蝕，而且工藝繁瑣，成本高。Bratek等采用800℃高溫碳化和940℃二氧化碳活化法聯用將聚酯轉化為多孔碳(Characteristics ofactivated carbon prepared from waste PET by carbon dioxide activation.Journalof Analytical and Applied Pyrolysis 2013,100,192–198)；該方法的缺點是高溫碳化和活化過程的能耗高，材料的孔隙率較低，而且該多孔碳材料的制備是在惰性氣體的保護下進行的，增加了設備成本和技術難度，還消耗了大量惰性氣體。Yuan等以MgCl₂為模板，在900℃下將聚酯轉化為多孔碳(Box-Behnken design approach towards optimization ofactivated carbon synthesized by co-pyrolysis of waste polyester textiles andMgCl₂.Applied Surface Science2018,427,340–348)；但是MgCl₂的大量使用以及去除勢必增加成本，而且后處理不徹底的情況下造成產品純度偏低，影響使用。所以，急需一種具有工藝簡單、能耗低、生產效率高、綠色可持續等優勢的多孔碳材料的制備方法，從而解決目前的合成方法存在的問題。