[發明專利]一種生物質原料制備多孔碳球的方法

在審

• 申請號: 202110874799.7
• 申請日: 2021-07-30
• 公開（公告）號: CN113387355A
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發明（設計）人: 馬培勇;梁譯方;黃瑞毅;劉小好;祁風雷
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: C01B32/318
• 分類號: C01B32/318;C01B32/324;C01B32/342
• 代理公司: 合肥中谷知識產權代理事務所(普通合伙) 34146
• 代理人: 王周昕

本發明涉及一種生物質原料制備多孔碳球的方法，包括以下步驟，將生物質粉碎后與含磷酸性溶液按比例均勻混合；將上述步驟的混合溶液進行水熱反應，完成生物質的水解和預碳化，獲得碳球前體；將得到的碳球前體進行脫水干燥后放入熱解爐中，在惰性氣氛保護下進行快速熱解，得到多孔碳球；本發明在快速熱解過程中形成碳球，高升溫速率生成碳球；通過在水熱過程預碳化，使得后續高溫活化形成碳球所需時間大幅縮短。

技術領域

本發明屬于碳球制備領域，尤其是生物質制備多孔碳球領域。

背景技術

碳球是一種零維碳材料，是一種新的材料，碳球材料以高比表面積、良好導電性、孔隙率可調、表面功能化、有序多孔結構、粒徑和形態分布可控、優異的活性位點、機械和熱穩定性而引起了科學界的極大的關注；多孔碳球在超級電容器、電催化劑，電極材料，重金屬離子吸附等方向的應用潛力，這是因為多孔碳球的一些性質非常吸引人，例如高比表面積，規則的形狀和穩定的結構等；利用價格低廉，來源廣泛的生物質制備碳球，特別是高比表面積的多孔碳球，作為高穩定性的電極材料或催化劑載體等，可以實現生物質的高附加值、高效率利用；碳球的制備方法有很多種，主要由化學氣相沉積法，模板法、微乳聚合法以及水熱法，在上述方法中，其中水熱法操作條件溫和，所得碳球的尺寸可控，具有較好的處理效果，水熱過程是在亞臨界水介質中，在溫和的操作條件下進行的熱化學轉化過程，但是在沒有特殊處理的情況下，水熱法獲得的碳球通常比表面積較低(20m2/g),為了豐富所制碳球的孔隙結構，通常需要引入化學活化劑，或進行額外的熱處理進行孔隙調控；而化學活化劑對碳材料表面的強烈腐蝕以及熱處理過程的劇烈反應，使得維持輪廓分明的球形形貌非常困難；現有的技術主要采用糖類化合物，木質素及其衍生物或各種樹脂作為原料，成本較高，與葡萄糖、木質素等常用原料相比，原始生物質結構復雜、成分繁多，不利于形成形狀規則、大小均勻的碳球，這極大限制了生物質原料在碳球制備上的應用。

發明內容

為了解決上述問題，本發明通過以下技術方案來實現上述目的：

一種生物質原料制備多孔碳球的方法，包括以下步驟：

步驟一、將生物質粉碎后與含磷酸性溶液按比例均勻混合；

步驟二、將上述步驟的混合溶液進行水熱反應，完成生物質的水解和預碳化，獲得碳球前體；

步驟三、將得到的碳球前體進行脫水干燥后放入熱解爐中，在惰性氣氛保護下進行快速熱解，得到多孔碳球。

作為本發明的進一步優化方案，所述水熱反應處于高溫高壓的亞臨界水介質環境下進行。

作為本發明的進一步優化方案，所述生物質包括木糖醇、木糖、木聚糖、葡萄糖、纖維二糖、纖維素、淀粉、半纖維素、殼聚糖、甲殼素、蔗糖、果糖、木材、甘蔗渣、玉米秸桿、廢棄紙張、油菜籽餅、小桐子餅、餅粕、酒糟、廢棄蛋白、微藻、塑料廢料、再生塑料等農業和城市固體廢物、食品廢物、碳水化合物或木質纖維材料中任意一種或兩種以上的組合。

作為本發明的進一步優化方案，所述含磷酸性溶液為磷酸水溶液或者酸性磷酸鹽溶液；其中，所述酸性磷酸鹽溶液為酸性磷酸鹽與無機酸形成的溶液、酸性磷酸鹽與有機酸形成的溶液、非酸性磷酸鹽與無機酸形成的溶液、非酸性磷酸鹽與有機酸形成的溶液中的任意一種；所述酸性磷酸鹽包括磷酸氫二鉀、磷酸二氫鈉、磷酸二氫銨，所述非酸性磷酸鹽包括磷酸氫二鈉、磷酸鈉、磷酸鉀、磷酸鈣、聚磷酸銨，所述無機酸包括鹽酸、硫酸、磷酸、硝酸，所述有機酸包括甲酸、乙酸、檸檬酸、草酸。

作為本發明的進一步優化方案，所述含磷酸性溶液與生物質顆粒混合的比例按磷/碳質量比控制在0.1:1至4:1之間。

作為本發明的進一步優化方案，所述步驟二中水熱反應的溫度為70℃至300℃。

作為本發明的進一步優化方案，所述步驟二中水熱反應的時間為1h至24h。

作為本發明的進一步優化方案，所述步驟三中快速熱解的溫度為350℃至600℃。