[發明專利]一種生物質經兩步微波處理制超長多壁碳納米管的方法

有效

• 申請號: 202010952403.1
• 申請日: 2020-09-11
• 公開（公告）號: CN112028054B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發明（設計）人: 竇金孝;俏珍珠·歐姆;田露;阿加西·塔瑪賽比
• 申請（專利權）人: 遼寧科技大學
• 主分類號: C01B32/16
• 分類號: C01B32/16
• 代理公司: 鞍山嘉訊科技專利事務所(普通合伙) 21224
• 代理人: 張群

本發明公開了一種生物質經兩步微波處理制超長多壁碳納米管的方法，該方法包含以下步驟：(1)通過化學預處理方法從生物質中分離纖維素樣品；(2)低溫微波熱解纖維素樣品生成含有碳納米管的生物炭樣品；(3)高溫微波熱解生物炭樣品制備超長多壁碳納米管。本發明不需要使用薄金屬(Ni、Mo、Fe、Co等)襯底，用生物質替代各種碳氫化合物(乙烷、甲烷、乙炔、二甲苯或它們的混合物等)，僅采用微波加熱，制備出石墨烯晶體含量高，約0.97，長度≥1cm，直徑200nm～400nm的超長多壁碳納米管。本方法解決了現有技術制備超長多壁碳納米管工藝復雜、成本高、碳納米管短且缺陷多等問題。

技術領域

本發明利用微波將生物質直接轉化為超長多壁碳納米管，涉及生物質資源高效、清潔利用技術領域。

背景技術

碳納米管是由類似石墨結構的六邊形網格卷繞而成的中空的“微管”，分為單層管和多壁管。多壁管由若干個層間距約為0.34納米的同軸圓柱面套構而成。普通碳納米管的直徑從幾十納米到幾百納米不等，長度以微米為單位，而超長碳納米管的長度可達厘米級甚至分米級。碳納米管及其復合材料以其獨特的性質被廣泛應用在場發射、多功能復合材料、催化劑材料、儲氫材料、傳感器、生物醫學、吸附材料和電化學等諸多方面，被譽為是21世紀最重要的材料之一。

碳納米管的制備通常采用電弧放電、激光燒蝕、化學氣相沉(CVD)、等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)或催化化學氣相沉積(CCVD)等方法。電弧法和激光蒸發法制備的碳納米管結晶度程度較高，但產率相對較低。化學氣相沉積法是實現工業化大批量生產碳納米管的有效方法，但制備的碳管中通常含有較多的晶體結構缺陷，并伴有較多難以去除的催化劑雜質。另外，納米催化劑的使用壽命和生長溫度決定了碳納米管的生長長度，一般制得的碳納米管長度很短，以微米為單位。同時，上述制備方法需要使用薄金屬(Ni、Mo、Fe、Co等)、襯底和各種碳氫化合物(乙烷、甲烷、乙炔、二甲苯或它們的混合物)等，工藝復雜，原料成本高。隨著碳納米管應用領域的拓寬，開發工藝簡單、低成本的超長碳納米管的制備技術具有重要的意義。

生物質是一種清潔可再生、性質穩定、生產成本較低的天然碳資源。微波加熱是電磁場在材料中傳播過程中與材料粒子相互作用而產生各種電磁損耗將電磁能轉變為熱能的過程。與傳統加熱方法相比，微波加熱具有加熱速度快、加熱均勻、易控制、可進行選擇性加熱、能耗低、安全無害等特點。以微波為熱源，生物質為原料開發碳納米管的制備工藝備受關注。Zeng等(A route to rapid carbon nanotube growth)在微波場中通過CH₄/N₂化學氣相裂解沉積法合成了不同形態的碳納米管，其結果表明反應溫度、CH₄/N₂混合比例和總氣體流動速度對碳納米管的形態影響較大，Raman光譜檢測結果表明，制備的碳納米管石墨化程度較低。Nie等(Growth and morphology of carbon nanostructures by microwave-assisted pyrolysis of methane)采用微波誘導加熱二茂鐵和碳纖維混合物，反應時間15s，制備出了碳納米管，但是這種方法使用的催化劑二茂鐵較難與碳納米管分離。專利CN104787747A《一種微波強化快速熱解生物質和/或含碳有機廢棄物制備多壁碳納米管的方法》公開了將生物質或含碳有機廢棄物或二者的混合物與微波吸收劑均勻混合，在微波作用下制備得到多壁碳納米管。但是這種方法制備得到的碳納米管所含石墨烯晶體含量較低，約0.70，且結構不完善。

發明內容

本發明的目的是提供一種生物質經兩步微波處理制超長多壁碳納米管的方法，解決現有技術使用催化劑，且催化劑與碳納米管分離困難，碳納米管結構缺陷多，制備工藝復雜等技術問題；本發明有效降低了碳納米管的制備成本，提高了碳納米管的生產效率和品質，可大規模生產，是一種經濟高效的超長多壁碳納米管制備方法。

為達到上述目的，本發明通過以下技術方案實現：

(1)通過化學預處理方法從生物質中分離纖維素樣品