[发明专利]一种以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多孔石墨化纳米碳片的方法。

背景技术

石墨化碳材料作为新一代功能材料，由于其优良的化学稳定性、高导电性和在低温下抗氧化性等优点在吸附、锂离子电池、超级电容器、生化传感器、生物医药及燃料电池等许多领域有着重要的应用价值。

众所周知，影响碳材料性能好坏的两个重要因素是石墨化程度和高比表面积，通过调控碳材料的比表面积和石墨化程度，可以赋予碳材料不同的综合性能并满足不同的使用要求，因此，近年来很多科学家致力于研究高比表面积多孔石墨化纳米碳的制备方法及其一些潜在的应用。

目前，传统工业制备石墨化纳米碳材料的方法主要有：化学气相沉积法、催化热解法、等离子体法、电子束辐照法、电弧放电法、激光蒸发法及热分解含碳金属化合物等方法。然而这些方法通常反应条件苛刻、工艺复杂、产率低；所使用的原料多为苯、甲苯、乙炔、甲烷等从煤、矿石中提取的非可再生资源。此外，从制备工艺上来看，传统工业方法虽然可以合成石墨化纳米碳材料，但反应过程需要在高温条件下（高于2000℃）进行、耗能大、成本高，同时导致制备的石墨化纳米碳材料比表面积低、石墨化程度差。以上所述制备石墨化纳米碳材料的方法在很大程度上限制石墨化纳米碳材料在商业方面的应用。

近几年，许多研究小组利用金属掺杂的碳气凝胶法和石墨化的介孔碳法合成具有含孔结构的石墨化纳米碳材料。金属掺杂的碳气凝胶法是用含过渡金属掺杂的碳气凝胶在高温惰性气体保护下碳化，得三维有序堆积的石墨化碳气凝胶，其比表面积为300~400m²g^-1。虽然所得石墨化碳材料比表面积有所提高，但是仍不能满足实际应用的需要。石墨化的介孔碳法是以嵌段共聚物为模板剂、以酚醛树脂为碳源、氧化铁为催化剂，在900~1200℃氮气氛围下碳化，得到具有部分石墨化、高比表面积（500~1300m²g^-1）的介孔碳材料。这种方法制备的石墨化碳材料虽然具有高的比表面积和良好的导电性，但它们的高能耗和原料的高成本已经成为人们愈来愈关注的问题。因此，探索新的合成方法来实现石墨化纳米碳材料的大量制备以及石墨化程度和比表面积的调控，对高比表面积多孔石墨化纳米碳材料的工业化生产具有重要的理论和实际意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有制备石墨化纳米碳材料方法存在生产成本高、工艺复杂、安全性差、产量低、难以实现工业化，且得到的石墨化纳米碳材料的比表面积低、石墨化程度差的问题，而提供一种以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法。

本发明的一种以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法，具体是按以下步骤操作的：一、采用酸处理法或碱处理法对椰壳进行预处理；二、向溶剂中加入催化剂、活化剂和步骤一预处理的椰壳，在温度为50~80℃、搅拌速度为100~350r/min条件下搅拌6~8h,得配合物；其中，椰壳与催化剂的质量比为1~5:1，椰壳与活化剂的质量比为1~5:1；三、在温度为50℃~200℃的条件下，将步骤二得到的配合物固化6~8h，得生成物；四、以1~15℃/min的速度升温至700℃~1100℃，然后在700℃~1100℃条件下热处理步骤三的生成物10min~5h，得产物，其中热处理气氛流量为60~1000mL/min，热处理气氛为惰性气体；五、用酸浸法处理步骤四的产物，然后在20℃~40℃下搅拌2~6h，再用蒸馏水洗涤至洗液pH为7.0，最后在温度为80℃~120℃的条件下干燥6~8h，即得到高比表面积多孔石墨化纳米碳片材料。

所述的以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法，步骤一中所述的原料为生物废弃物椰壳，它的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素。

所述的以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法，步骤一中所述的金属催化剂为氯化铜、硫酸铜、硝酸铜、氯化铁、氯化亚铁、硝酸铁、硝酸亚铁、硫酸铁、硫酸亚铁、铁氰化钾、亚铁氰化钾、三草酸合铁酸钾、氯化钴、硝酸钴、硫酸钴、乙酸钴、氯化镍、硝酸镍、硫酸镍、乙酸镍、氯化锰、硝酸锰、硫酸锰、乙酸锰中的一种或其中几种的混合。

所述的以椰壳为原料制备高比表面积多孔石墨化纳米碳片的方法，步骤一中所述的活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸、氯化锌、碳酸钾中的一种或其中几种的混合。