[发明专利]一种生物内壳基碳材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳材料及其制备方法。

背景技术

生物基碳材料因其原料可再生、来源广、价格低和无污染等优点成为新型碳材料的来源和研究热点，并在众多领域中得到了广泛应用，如超级电容器、燃料电池、锂离子电池、吸附材料、光催化复合材料、分子筛膜及催化剂载体等。

生物基碳材料的制备方法主要有水热碳化法和直接碳化法两种。直接碳化法是将生物质前驱体在无氧的环境中加热至300-1000℃而进行的裂解，所制得的碳材料导电性高、比表面积大。裂解条件分为慢速裂解、中速裂解和快速裂解，其特点是可根据裂解条件的控制，调控产物的形貌和性能，已成为应用最广泛的碳材料制备方法。

虽然目前已有生物质如各种花朵、花生壳、榴莲壳、酸枣壳、荷叶、水绵、柚子皮及油茶籽壳等，被制作成为不同形貌和性能的碳材料，但仍远远满足不了目前科学技术的进步以及社会发展的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用可再生的生物资源开发性能优良的生物内壳基碳材料及制备方法。

本发明的碳材料是以枪乌贼羽状内壳为原料，经过酸和/或碱处理后，在惰性气体氛围下，经高温裂解碳化而获得的一种仍保留相应多孔道薄片状的生物内壳基碳材料。

本发明的制备方法如下：

(1)将枪乌贼羽状内壳洗净，在0-6mol/L酸或碱的水溶液中浸泡0-48小时，然后用蒸馏水洗净晾干，得到枪乌贼羽状内壳生物质前驱体。其中，所用的酸为H₂SO₄、HCl、HNO₃或CH₃COOH，碱为NaOH或KOH。

(2)将步骤(1)中制得的枪乌贼羽状内壳生物质前驱体在N₂或Ar等惰性气体保护下，在450℃-900℃下裂解碳化0.5-8小时，得到一种生物内壳基碳材料。

本发明与现有碳材料相比有如下优点：

1、本发明所制备的生物内壳基碳材料，采用的生物质前驱体是一种枪乌贼内壳，即一种透明的羽状生物材料，薄而轻，显微结构呈层状，且存在多重孔道，碳化后所得的碳材料仍保留相应多孔道薄片状，是一种具有特定形貌的新型碳材料。

2、本发明所制得的这种多孔道薄片形貌的碳材料可以作为超级电容器和太阳能电池等的电极或电解质等的基体或填充材料，还可以作为催化剂、助催化剂或载体等，以提高相应材料及器件的性能。

3、本发明所采用的枪乌贼羽状内壳、经过酸碱处理后的枪乌贼羽状内壳前驱体以及由其制备的生物基碳材料，可作为模板物质，制备各种多孔道形貌的无机、有机或无机-有机复合材料等。

4、本发明的碳材料的制备方法简单，易于操作和控制，原料来源广、成本低、对环境无污染。

附图说明

图1是本发明中所采用的枪乌贼羽状内壳的照片图。

图2是本发明所制备得到的生物内壳基碳材料的照片图。

图3是为本发明所制得的生物内壳基碳材料的扫描电镜图。

图4是本发明所制得的生物内壳基碳材料的X衍射图。

图5是本发明所制得的生物内壳基碳材料的拉曼谱图。

对上述附图说明如下：从图1可以看出枪乌贼内壳为透明羽状，其薄片内部有细小的管状脉络。从图2可以看出生物内壳基碳材料外观为黑色碎片，薄片表面具有金属光泽。该生物内壳基碳材料经研磨后的扫描电镜图如图3所示，其为具有一定厚度的薄片，上面分布着多重管式沟槽，边缘处可见层状条纹，呈现着内壳内部中空管道式结构。从图4的X衍射图可以看出，生物内壳基碳材料主要在2θ＝22°处出现了特征衍射峰，而在2θ＝43°处的峰很弱，分别代表着乱层石墨的(002)和(100)晶面，说明枪乌贼内壳经高温裂解处理之后，形成了类六方石墨结构，但衍射峰呈馒头状，说明其属无定型碳材料。从图5的拉曼谱图可以看出，生物内壳基碳材料的D峰和G峰，分别出现在1320cm^-1和1580cm^-1处。

具体实施方式：

实施例1

(1)将枪乌贼羽状内壳洗净，在6mol/L NaOH水溶液中浸泡24h，然后用蒸馏水洗净晾干，得到枪乌贼羽状内壳生物质前驱体。

(2)将步骤(1)中制得的枪乌贼羽状内壳生物质前驱体在N₂保护下，在700℃下裂解碳化3小时，制备得到一种生物内壳基碳材料。

实施例2