[發明專利]一種氮氧摻雜碳納米角及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202210592014.1
• 申請日: 2022-05-27
• 公開（公告）號: CN114823171A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 梁風;侯圣平;張濤;張達;向孫祖;沈可;雷勇;楊斌
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學;江蘇風馳碳基新材料研究院有限公司
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/44;H01G11/50;H01G11/34;H01G11/36
• 代理公司: 成都中璽知識產權代理有限公司 51233
• 代理人: 任潔

本發明提供了一種氮氧摻雜碳納米角及其制備方法和應用，所述制備方法包括以下步驟：在第一保護氣體環境下，針對碳源進行熱裂解處理，冷卻后獲得熱裂解炭黑，所述碳源為廢舊輪胎粉末；將所述熱裂解炭黑作為陽極，高純石墨棒作為陰極，在第二保護氣體環境下進行等離子體處理，待反應結束后，獲得氮氧摻雜碳納米角。所述氮氧摻雜碳納米角采用上述制備方法制備獲得，且能夠在超級電容器中應用。本發明的有益效果包括：所用的原料豐富且廉價易得，制備工藝簡單、易操作、周期短，無需引入催化劑，對環境友好，為回收與利用廢舊輪胎提供了新思路。

技術領域

本發明涉及廢舊輪胎回收處理技術領域，具體來講，涉及一種采用廢舊輪胎制備氮氧摻雜碳納米角的制備方法、一種氮氧摻雜碳納米角、以及一種氮氧摻雜碳納米角的應用。

背景技術

輪胎成分相對復雜，主要由55～60％的橡膠、30～33％的炭黑、6～9％的有機助劑以及3～6％的無機助劑組成，廢舊輪胎經熱解后可以回收油品、熱裂解氣和熱裂解炭黑。針對廢舊輪胎的回收利用，大部分廢舊輪胎則大量流入“土法煉油”作坊，給生態環境造成了難以彌補的破壞，其提煉的裂解油、裂解炭黑等產品大多品質低下，有待進一步改善。例如，公開號為CN212560100U的中國實用新型專利公開了一種改變炭黑結構用于輪胎制造的廢輪胎裂解炭黑加工系統，裂解過程采用裂解碳化和高溫水蒸氣活化擴孔相結合技術，并在炭黑深加工中采用研磨改性一體技術再次改性提質，明顯改變了廢輪胎裂解炭黑的結構，使裂解產物品質顯著提高，可以作為補強炭黑用于制作新輪胎。但該系統制備的炭黑用途比較單一，難以提高廢舊輪胎回收的經濟效益。

相關研究被證實廢舊輪胎還可以制備成碳納米材料，例如，公開號為CN110844900A的中國發明專利公開了一種以廢舊輪胎為原料制備碳納米管的方法，將催化劑與廢輪胎顆粒均勻混合，置于高溫管式爐中，在氮氣氛圍下，升溫至700～900℃；隨后經硝酸處理干燥后放入馬弗爐，升溫至500～700℃保溫得到碳納米管。該發明的產率可達30％以上，但其制備過程相對繁瑣，且在制備過程中采用了復合催化劑，不利于后期清洗處理。雖然碳納米材料具有較強的機械性能、良好的導電性及較高的比表面積，但由于碳納米材料結構比較完整，活性位點相對較少，因此，大大限制了碳納米材料的水溶性和反應活性。當前，通過雜原子摻雜來改善碳納米材料的活性，已成為碳納米材料的研究熱點之一，其中，氮、氧元素的摻雜改性備受歡迎。研究表明，通過對碳納米角進行氮、氧摻雜可應用于超級電容器，能顯著提高其比電容。

碳納米角最早由飯島澄男發現，是繼碳納米管后的又一種新興的碳納米材料。碳納米角通常以直徑為50～100nm的球形聚集體存在，聚集體的形貌分為大麗花狀，種子狀及芽狀。單壁碳納米角一端為封閉的錐形結構，另一端為開口結構，直徑為2～5nm，長為10～50nm，角錐約為20°，其頂端由碳的五元環，六元環和七元環組成。碳納米角因其角錐狀空心結構及其獨特的形貌在鋰離子電池、燃料電池、催化劑載體和藥物運輸載體等方面具有較大應用潛力。現階段制備碳納米角的方法主要為激光法和電弧等離子體法，其中激光法制備的碳納米角的成本較高，而直流電弧等離子體法制備的碳納米角純度高、效率高，且等離子體技術近年來因其具有反應速度快、環境友好型等特點備受青睞，有利于進一步實現工業化生產。

因此，為了更有利于資源化可持續發展，本發明采用直流電弧等離子體技術處理廢舊輪胎原位制備氮氧共摻雜碳納米角。

發明內容

針對現有技術中存在的不足，本發明的目的在于解決上述現有技術中存在的一個或多個問題。例如，本發明的目的之一在于解決大量廢舊輪胎的資源浪費、環境污染以及熱裂解炭黑回收利用率低的問題，目的之二在于實現資源循環利用，發揮廢舊輪胎的回收利用價值，為廢舊輪胎的合理回收利用提供新思路。

為了實現上述目的，本發明一方面提供了一種氮氧摻雜碳納米角的制備方法，所述制備方法可包括以下步驟：在第一保護氣體環境下，針對碳源進行熱裂解處理，冷卻后獲得熱裂解炭黑，所述碳源為廢舊輪胎粉末；將所述熱裂解炭黑作為陽極，高純石墨棒作為陰極，在第二保護氣體環境下進行等離子體處理，待反應結束后，獲得所述氮氧摻雜碳納米角。