[发明专利]微波强化快速热解生物质和/或含碳有机废弃物制备多壁碳纳米管的方法

说明书

技术领域

本发明涉及由生物质或含碳有机废弃物原材料制备多壁碳纳米管的方法，具体涉及一种微波强化(功率大于500w)快速(数十微秒至数十分钟)热解生物质和/或含碳有机废弃物制备多壁碳纳米管的方法。

背景技术

近年来，碳纳米管凭借其优异的电学、力学、热学、磁学等物理化学性质成为当今科学研究和工业应用的热点之一，其广阔的应用前景也逐步显现出来。目前，主流的碳纳米管制备方法有电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法、气体燃烧法和碳氢化合物催化裂解法等，这些方法都引入了适当的碳源气体(甲烷、乙烯、乙炔等)和催化剂(铁、钴、镍等单金属活性中心或双金属活性中心)，增加了工艺的复杂性和成本。随着碳纳米管研究的深入和应用的推广，简单、低成本、批量制备碳纳米管成为制约其广泛应用的关键，探索和开发利用廉价可再生资源制备碳纳米管成为科学家、工程师关注的热点问题。

微波是波长为1m–1mm、频率300MHz–300GHz的电磁波。微波加热技术已经广泛应用于人们的日常生活和工业生产中，不仅可以实现容积式、选择性、高效快速加热，而且体现出节能环保等诸多优点，其作为实现绿色工艺的手段之一而得到人们的广泛重视。目前，微波加热在碳纳米材料制备领域已有少量应用。Menéndez等人利用微波加热碳材料制备了碳纤维(Carbon nano fibers)，Mori等人利用微波放电系统制备了碳纳米墙(Carbon nanowall)，Deng等人利用微波等离子体化学气相沉积法制备了石墨烯，Zeng和Fidalgo等人利用微波强化甲烷裂解制备了碳纳米管和碳纳米丝。上述提及的方法均额外引入了碳源气体或催化剂，制备工艺仍然比较复杂，不利于工业化生产。

生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质，包括农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物和动物粪便等，具有可再生、廉价、广泛分布等特点。目前，已有少量机构或研究人员开始探索利用生物质制备碳纳米管的方法。阿科玛法国公司利用植物发酵合成醇，脱水后产生的烯烃在粉末催化剂的存在的条件下催化分解形成碳纳米管(CN101279731B，US8771627B2)。中科院化学所安贵民等人以多糖的离子液体溶液为碳源，在催化剂存在的条件下，用浓硫酸进行脱水，然后在隔绝空气条件下碳化处理得到多壁碳纳米管(CN101780949B)。黑龙江大学牛海军等人将葵花籽皮碳化再纯化，得到碳纳米管(CN102849725B)。香港中文大学Jiangtao Zhu等人，将乙醇作为碳源，利用竹炭作为基材，通过化学气相沉积的方法制备得到多壁碳纳米管。中北大学史建华等人以富含铁的黑木耳、紫菜、香菇、黑芝麻的炭化粉末为催化剂前驱体，天然气为碳源，采用化学气相沉积工艺制备了碳纳米管。综上，生物质在碳纳米管制备方面的应用目前主要有两种方式，一是发酵分解产生醇进而产生烯烃等作为碳源，二是生物质炭化物作为化学气相沉积工艺的基材。上述工艺均不可避免的使用了催化剂；而催化剂的使用过程非常复杂，如需要催化剂事先进行模板的排列，然后所得的碳纳米管会直接生长在催化剂上，造成分离困难，如需要酸融将催化剂去除，导致催化剂不能重复利用，提高了成本；此外，这种使用催化剂的方法，使得产生的碳纳米管的微观结构为直的结构，导致碳纳米管的缺陷少，不利于后期对碳纳米管的改性，还需要后期人为制造利于官能团结合的缺陷，这都增加了复杂程度。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供一种碳纳米管产率高，而且碳纳米管中石墨烯晶体含量高、提升了由生物质或含碳有机废弃物制备所得的碳纳米管的品质，同时降低了碳纳米管的制备成本的微波强化快速热解生物质和/或含碳有机废弃物制备多壁碳纳米管的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种微波强化快速热解生物质和/或含碳有机废弃物制备多壁碳纳米管的方法，步骤包括：

(1)将粉状或者颗粒状的生物质或含碳有机废弃物或者二者的混合物加入、或同时与微波吸收剂均匀混合后加入密闭且通有惰性气体(载气)的反应器内；然后置于微波腔体中；

若原料(生物质或含碳有机废弃物)本身的介电损耗因子大，吸收微波能力强，则不需要微波吸收剂也可发生热解反应；若原料本身的介电损耗因子小、吸收微波性质弱，则需要同微波吸收剂混合后再进行热解；由于微波是容积式加热，因此原料粉末或者颗粒的尺寸不会对碳纳米管的合成造成影响。

(2)开启惰性气体，调节惰性气体流量，进行惰性气体吹扫，惰性气体的流入量以确保反应器内没有氧气存在为标准；