[發明專利]一種利用淀粉或纖維素類生物質為碳源合成碳納米管的方法

在審

• 申請號: 202011483085.5
• 申請日: 2020-12-16
• 公開（公告）號: CN114634174A
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 宋榮君;楊德世;譚盛男;彭瑞民
• 申請（專利權）人: 東北林業大學
• 主分類號: C01B32/162
• 分類號: C01B32/162;C01B32/17
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于合成碳納米管納米材料技術領域。本發明提供了以淀粉或纖維素類生物質為碳源的一種碳納米管合成制備方法。其特征在于所用碳源完全來自于淀粉或纖維素類生物質物質，且只需要將淀粉或纖維素類生物質與催化劑粉沫通過物理方法均勻混合。另外，碳化方法簡單通用。只是將按一定比例組成的上述共混物在惰性氣體保護下通過高溫裂解即得碳納米管產品。本發明屬于一種利用淀粉或纖維素類生物質為碳源合成碳納米管的新途徑。該方法設備簡單，操作方便、重復性好且成本低。使用淀粉或纖維素類生物質為碳源合成碳納米管屬于環境友好、低碳環保且可持續的碳納米管生產途徑。

技術領域

本發明屬于一種合成碳納米管材料的技術領域。公開了一種以淀粉或纖維素類生物質為碳源的碳納米管合成制備新方法。

背景技術

碳納米管(CNTs)自1991年被電鏡學家在高分辨率透射電鏡下發現至今，已發展成為一種能批量生產并在多領域走進實際應用的先進碳納米材料。碳納米管屬于一種新型獨特的碳納米結構，能夠抽象地看作是由六邊形的石墨片圍繞中心軸以特定的角度螺旋而成的中空管狀結構，兩端封口或開口。碳納米管的直徑一般不大于50nm，長度一般為微米級，個別可達到毫米或更長。因此其長徑比非常大，可以看作是一維量子材料。另外由于其獨特的近似一維的管狀中空結構，特殊的力學、熱學、電磁學等性質，在很多領域中都有著潛在的使用價值。一直以來，碳納米管的合理有效制備都是化學和物理等學科的研究重點。

目前，碳納米管已經實現規模化制備。據報道，2019年全球碳納米管產量以達到8000 噸以上。然而當前碳納米管的生產主要是基于化學氣相沉積的手段，所用碳源基本上為小分子化石燃料，例如甲烷、乙烯、乙炔和丙烷等。隨著石油和煤炭資源的日益枯竭和人們環保意識的逐漸增強，尋找環境友好和可持續的替代碳源已迫在眉睫。

中國申請專利(申請號200510017038.0)報道了以聚烯烴類廢舊塑料為碳源、含鎳催化劑和改性蒙脫土、分子篩助劑作用下合成碳納米管，該方法是一種廢舊塑料高值化利用的新途徑。然而對于環境友好的可再生的生物質碳源，所報道的專利技術目前還很少。

中國申請專利(申請號CN102772708A)報道了一種利用生物質廢棄物制備氮摻雜碳納米管包覆金屬顆粒復合材料的方法。該方法為兩步法制備：第一步是將生物質與KOH物理混合，并在惰性氣體保護下裂解碳化制備生物質炭；第二步是將生物質炭與氮源和二價金屬催化劑混合并熱解。最終得到一種氮摻雜的包覆金屬顆粒的碳納米管材料。

中國申請專利(申請號CN105217598A)報道了一種利用蔗糖為原料制備碳納米管的方法。其制備方法是將蔗糖、三聚氰胺、三氯化鐵和蒸餾水混合，烘干得到的固體在高溫下裂解碳化得到一種大直徑的碳納米管。

發明內容

本發明的目的是針對現有的碳納米管的合成方法中，碳源高度依賴化石能源及石油化工產品，使得化石能源消耗和環境破壞污染的缺點所做出的改進，提供一種以淀粉或纖維素類生物質為碳源的碳納米管合成制備新方法。本發明采用淀粉或纖維素類生物質為碳源，在鐵、鈷、鎳催化劑的作用下，在惰性氣氛下催化裂解制備碳納米管。提供一種環境友好、低碳環保且可持續的碳納米管生產途徑。

本發明制備碳納米管的步驟和條件如下：

(1)淀粉或纖維素類生物質碳源的預處理

所選擇的淀粉或纖維素類生物質碳源要經過洗滌干燥和粉碎處理后才能用作合成碳納米管的碳源。

(2)粉碎的淀粉或纖維素類生物質與催化劑物理共混

將粉碎的淀粉或纖維素類生物質與催化劑粉沫進行物理共混。

(3)碳納米管的制備與提純

將步驟(2)制備的共混物放入裂解碳化裝置中，利用惰性氣體對裂解碳化過程進行保護，將碳化裝置升溫至700-1200℃進行裂解碳化。裂解碳化后冷卻至室溫，收集黑色碳產物即為碳納米管粗產品。