[發明專利]一種抗生素菌渣制備泡沫石墨烯的方法

有效

• 申請號: 202010885412.3
• 申請日: 2020-08-28
• 公開（公告）號: CN112174119B
• 公開（公告）日: 2022-05-06
• 發明（設計）人: 唐晶晶;周向陽;郭龍龍;楊娟;王輝;丁靜;王炯
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;H01M4/587;H01M10/0525
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 盛武生;魏娟

本發明屬于有害固廢回收并制備電極材料技術領域，具體公開了一種抗生素菌渣制備泡沫石墨烯的方法，包括步驟如下：步驟(1)：將包含抗生素菌渣、堿A、醇的溶液進行溶劑熱預處理，隨后經固液分離，獲得預處理產物；步驟(2)：將預處理產物、堿B混合后經二段梯度熱處理，即得所述的泡沫石墨烯；二段梯度熱處理過程包括依次進行的第一段熱處理和第二段熱處理，其中，第一段熱處理的溫度為300～500℃；第二段熱處理的溫度為600～1050℃。本發明實現了醫藥廢棄物抗生素菌渣的高值化回收利用，對環境友好、制備流程短、合成成本十分低廉、適合大規模生產，所制備的泡沫石墨烯材料用于鋰離子電池負極時，具有導電性好、容量高、循環穩定性好等優點。

技術領域

本發明屬于納米材料技術領域，特別是涉及一種基于抗生素菌渣的資源化利用方法。

背景技術

目前，能快速高效地進行能量轉換和儲存的二次電池，已成為一種重要的儲能設備，影響著人類社會科技、經濟等眾多領域的發展。目前常用的二次電池主要有鎳鎘電池、鎳氫電池、鉛酸蓄電池和鋰離子電池等。其中，鋰離子電池因其優異的電化學性能、環保、資源節約等特點而備受廣大研究者的關注。當前，鋰離子電池商品化的負極材料為石墨，主要分為天然石墨與人造石墨。石墨導電性極佳，且具有高的結晶度，碳原子之間以共價鍵的形式連接成石墨烯片，石墨烯片層間以范德華力結合，層間間距較鋰離子大，因此，鋰離子可以在石墨層間進行可逆的嵌入、脫出。由于天然石墨材料的各向異性特點，需要對其進行后期整形處理以提升其大倍率條件下的充放電特性；而傳統人造石墨需要對碳源進行高于2500℃的石墨化處理，且需要進行碳包覆以改變表面特性，因此，人造石墨存在處理流程長、能耗高的問題。雖然石墨負極存在嵌脫鋰平臺穩定、結構穩定性良好的優點，但是石墨材料的比表面積小、孔隙率極低，且鋰離子通常只能在石墨層間結構內進行脫嵌，因此石墨的嵌鋰比容量非常有限，僅為372mAh/g。開發新型的高導電、高性能負極材料對于提升鋰離子電池能量密度意義重大。

多孔碳是有著不同尺寸孔結構的碳素材料，因其獨特的優勢，如高的比表面積、豐富的孔體積、優異的機械性能和化學穩定性等，在多種領域有廣泛的應用。特別是在鋰離子電池領域中，其豐富的孔結構可以儲存電解液，有利于提升材料的大倍率充放電特性；其微介孔結構可以用于吸附鋰離子，從而提升材料的比容量。目前制備多孔碳的方法主要分為物理法和化學法兩種。物理活化法是常用制備多孔碳材料的物理方法，即在600～900℃溫度范圍內，利用氣體等作為活化介質來制備多孔碳。通過活化介質與碳的化學反應來刻蝕碳化物基體表面，除去未碳化物，從而形成新的孔隙結構。整個過程分為兩個階段，即碳化階段和活化階段。首先對碳前驅體進行碳化，再通入氣體進行活化。其中常用的活化氣體為二氧化碳、空氣或者水蒸氣等。物理制備法流程復雜、熱耗高，且得到的多孔碳材料比表面積較小，因此目前常用來制備多孔碳的方法為化學制備法。化學法制備多孔碳的方法主要為碳化法、水熱法、凝膠法、模板法及活化法等。具體如下：①碳化法主要是利用惰性氣體(如氮氣、氦氣)的保護使得碳前驅體在高溫環境中分解，從而來制備多孔碳材料的方法。②水熱法是在密閉條件下，利用水為媒介，通過增加體系的溫度和壓強，提高碳化反應速率，讓碳前驅體轉化為多孔碳材料的方法，此方法具有對環境綠色友好、工藝流程簡單等眾多優點。③凝膠法是先對碳前驅體凝膠化，再在惰性條件下碳化而制得多孔碳的方法，這種方法的工藝參數較易控制，且可得到的多孔碳材料孔徑大小不同，比表面積較為可觀，但制備周期較長，產品性能不穩定，難以實現商業化應用。④模板法主要分為軟模板與硬模板法，其中軟模板法是指在反應中采用表面活性劑形成碳的前驅體結構，模板不用去除；而硬模板法則采用現有的模板材料，再通過刻蝕除去模板，得到多孔碳材料，該方法獲得的碳產量高且用作電極材料時得到的電化學性能穩定，同時可以通過調控模板大小制備出不同孔徑的多孔碳材料，但工藝流程十分復雜，制備出的多孔碳孔徑單一，難以廣泛應用。⑤化學活化法是指在惰性氣體(如氮氣、氦氣)條件下同時對活化劑及碳基體升溫，達到一定溫度后發生釋放出氣體的反應，實現造孔，這種方法制備的多孔碳材料孔徑分布均勻、比表面積大、操作流程簡單且產品性能穩定。