[发明专利]一种从煤中提取纳米碳多形晶混合物的绿色方法

说明书

本发明涉及一种从通常称为无烟煤、高阶无烟煤和半石墨材料中使用绿色方法生产和开发纳米碳多形晶混合物的方法。此方法打破了传统不环保的煤应用，即低盈利能力和低可持续性的烧煤应用。本发明公开的方法仅需简单地将煤机械粉碎成纳米级颗粒并使用最小的分选工作就可以生产出非常丰富的高性能纳米碳材料，包括碳纳米纤维、碳纳米管、碳纳米洋葱、纳米石墨片和纳米石墨烯。最终得到的纳米碳多形晶的产量可高于原来煤质量的50％。本发明公开的方法在普遍的粉碎和分选操作中加入了创新的手段，进一步降低了能源和化学消耗。更重要的是，这种方法也改善了粉碎和分拣的细节，以生产出最佳的市场客户定制配方。因为定制的配方通常需要混合多种纳米碳多形晶组份，这种全盘优化的工程方法消除了不必要的分离和分选步骤，生产采用纳米碳多形晶混合物作为新型高增值复合材料，大幅提高水泥基复合材料、聚合物基复合材料和金属基复合材料的性能。

技术领域

本发明涉及一种制备纳米碳多形晶混合物的绿色方法，直接从天然煤中使用物理粉碎、分离、提取包含碳纳米纤维、碳纳米管、碳纳米洋葱、纳米石墨烯、纳米石墨片的纳米碳多形晶混合物，制备过程中没有任何与绿色化学的十二项原则相悖的处理方式[1]。

背景技术

碳是地壳中最丰富的化学元素之一。在地球上，大多数碳原子被完全氧化形成二氧化碳分子，这些分子存在于大气中或溶解在各种水体中。一些二氧化碳分子被许多藻类和植物还原和改造成具有碳-碳、碳-氢和碳-氧键的分子，形成它们有机体的主要组成部分。在漫长的地球历史中，一些有机体被埋在地下，由于温度和压力的自然变化导致有机体碳化，包括氧和氢等的释出，慢慢地转化为非晶形碳质固体，通常被称为煤。然而，非晶形碳在固体碳的同素异形体中并不是最稳定的。在高温厌氧条件下，非晶形态碳可以重组其结构，转化为结晶石墨。在极高的压力和温度下，非晶形碳和石墨也能转化为金刚石晶体。金刚石、石墨和煤的密度分别为3.5、2.2和1.0-1.6g/cm³。在这些自然生产过程中，相对的困难程度和稀有度影响了它们的价格，高清晰度珠宝级的钻石价格约为1.5万美元/克，石墨约为2000美元/吨，而煤约为60美元/吨。

除了这些著名的天然碳的同素异形体之外，含碳的气体/液体/固体也可以在高温下人工碳化的材料制备条件，或通过放电的材料制备条件下形成碳纤维和碳黑，在微观结构上基本上是石墨和非晶形碳的混合物。这些产品已经在业界广泛使用了几十年。近年来，更发明了几种新型纳米碳多形晶的制备方法，这些纳米材料具有不同寻常的特性、新的应用前景和高利润市场前景。这些新兴的碳纳米晶体(如图1所示)包括碳纳米洋葱[2-3]、富勒烯[4]、碳纳米管[5-6]、碳纳米纤维[7-8]、石墨烯[9]、纳米金刚石[10]，由于具有衍射特征，均可归类为纳米晶体。将诺贝尔奖授予富勒烯和石墨烯的发明者，也很好地说明了这些新兴纳米材料的重要性。此外，碳纳米管材料和石墨烯材料都已大规模生产，并不断探索其优异性能的应用。它们目前的市场价格因品种和纯度而异，每公斤价格在500美元至1万美元之间。因此，它们目前的价格远远高于煤炭[11]、石墨、普通金属、普通聚合物以及工业中许多工程材料的价格。这种高价格意味着高盈利能力，但也严重阻碍了这些纳米碳多形晶作为添加剂和原材料在实际生产中的市场渗透。

在这种背景下，这些人造纳米碳多形晶的科学和技术的成功却具有讽刺意味地使人产生了这样一种负面看法，即这些纳米碳虽有高附加值却是昂贵的人工工程材料。一方面，这种认知为相关的研发和业务发展开辟了高科技的道路；另一方面，它又蒙蔽了该产业的相关从业人员洞察低成本生产和大批量应用纳米碳多形晶的重大发展空间。