[发明专利]一种炭微球的制备方法及杂多酸在炭微球制备和石墨化中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种炭微球、炭微球前驱体的制备及石墨化方法以及杂多酸在炭微球的制备和石墨化中的应用。

背景技术

炭微球是一种新型炭材料，它具有良好的化学稳定性、热稳定性和优良的导电、导热等特性；是一种具有广泛应用前景的炭材料。炭微球具有球状结构，堆积密度比较高，单位体积嵌锂容量比较大。而且小球具有片层状结构，有利于锂离子的嵌入和脱嵌。因此，炭微球可用于制作锂离子二次电池的电极。炭微球表面具有很高的活性，经活化处理还可用作高比表面积活性炭。除此之外，炭微球还能用作高密度高强度炭材料、高性能液相色谱柱填料、催化剂载体、阳离子交换剂及甲醇燃料电池电极。炭微球的制备方法很多，常用的制备方法有热缩聚法和乳化法，然而这些方法制备工艺复杂，生成的炭微球容易发生融并，粒度分布较宽，收率很低。此外，还有热解碳法，悬浮法，非催法化学气相沉积法，水热合成法以及模板法等。通过这些方法制得的炭微球呈乱层结构，石墨化程度低，乱层结构炭在力学、电学、热物理性能方面远不及石墨炭。因此，炭微球的各种优异性能(如导电性能等)还不能得到更好的展现；为了获得高性能炭微球，开发更为简单的炭微球合成方法，获得石墨化度高的炭微球是很有必要的。

发明内容

本发明的第一个目的在于，提供一种炭微球前驱体的制备方法，所得到的炭微球前驱体通过炭化后便可制得炭微球，该方法具有工艺简单，操作方便，设备条件要求低等特点。

本发明的第二个目的在于，提供一种炭微球的制备方法，可避免现有的炭微球的制备过程中炭微球发生融并，粒度分布较宽，收率很低的问题，且所得的炭微球具有球形度好，半径小，有利于石墨化，催化剂残留量少，纯度高，且残留催化剂对炭微球的性能影响小的特点。

本发明的第三个目的在于，提供一种炭微球石墨化的方法，可避免现有的炭微球石墨化过程中催化剂分配不均的问题，且所得的石墨炭微球石墨化程序高、球形度好。

本发明的第四个目的在于，提供杂多酸在炭微球制备及石墨化过程中的应用方法，可有效地催化多种树脂炭材料制备炭微球。

本发明以杂多酸为氧化剂，以树脂为炭源，提出一种简单的炭微球合成方法，并通过热处理利用残存在炭微球中的过渡金属钼或钨元素对炭微球进行催化石墨化，可获得石墨化度高的炭微球。

在本发明中，我们利用杂多酸作为催化剂，以树脂为炭源来合成炭微球，通过热处理进一步得到石墨化度高的炭微球。

本发明的目的是通过下述方式实现的：

一种杂多酸的应用，即在制备的炭微球过程中，将杂多酸作为催化剂，对以树脂为原料的炭源进行催化制备或催化石墨化。

本发明通过将杂多酸作为催化剂，对以树脂为炭源，进行催化氧化和炭化处理获得炭微球。

所述的杂多酸可以是磷钼酸、硅钼酸或硅钨酸等。

所述的树脂为呋喃树脂，酚醛树脂或沥青树脂等。

所述的有机溶剂优选为乙醇或二甲亚砜。

本发明的另一目的实施方案为：

炭微球石墨化的制备方法：以树脂为炭源，以残存在炭微球中的杂多酸或杂多酸分解产物作为催化剂，反应过程是在石墨化炉里氩气气氛下进行的，热处理温度不低于1500℃。

热处理温度优选1500～2400℃。

将炭化后的炭微球样品置于石墨坩埚中于石墨化炉里于1800～2400℃温度下热处理约2小时，以高纯氩气作为保护气，获得石墨化度高的炭微球。

本发明具体制备方法可以是：

将杂多酸(磷钼酸、硅钼酸、硅钨酸等)均匀溶解在有机溶剂中，慢慢滴加树脂(呋喃树脂，酚醛树脂或沥青树脂等)，在油浴中于30-70℃下恒温搅拌约5h；待反应完成后，将该溶液进行过滤，多次醇洗，水洗，直到洗涤液呈中性为止，得到炭微球前驱体；将炭微球前驱体置于红外灯下烘干后，置于管式电阻炉中于600-700℃进行炭化(高纯氮气作为保护气)，炭化时间为1-2h，升温速度约为5℃/min。将炭化后的炭微球样品置于石墨坩埚中于石墨化炉里于1800～2400℃温度下热处理约2小时，以高纯氩气作为保护气，获得石墨化度高的炭微球。

本发明获得了多种杂多酸催化剂对树脂进行氧化炭化制备炭微球的方法。该方法采用的炭源广泛，可以为呋喃树脂，酚醛树脂，沥青树脂等。催化剂为杂多酸如磷钼酸、硅钼酸、硅钨酸等。获得的炭微球球形度好，半径小，石墨化度高，催化剂残留量少，纯度高，残留催化剂对炭微球的性能影响小。本发明不仅可以作为炭微球制备研究，也可以作为获得石墨化度高的炭微球的适用方法。本发明的优点是方法简单，操作方便，设备条件要求低。

具体实施方式