[发明专利]一种木质素共混催化热解制备碳纳米洋葱的方法

说明书

本发明公开了一种木质素共混催化热解制备碳纳米洋葱的方法。该方法采用木质素作为碳源、共混剂、过渡金属作为催化剂，通过浸渍法将过渡金属引入到木质素中，随后将含有过渡金属的木质素与共混剂充分混合后置于固定床反应器中进行共混催化热解。在这过程中，利用高H/C的废塑料共混剂强化木质素的分解和脱氧，然后借助过渡金属催化剂引导有序碳纳米结构的生长，最后实现木质素向高性能碳纳米洋葱的简易制备。与传统的碳纳米洋葱制备方法相比，本方法采用的木质素碳源是可再生的固体废弃物资源，原料成本较低；同时通过热解方法制备碳纳米洋葱还具有制备温度较低、工艺流程简单、设备成本较低等优势。

技术领域

本发明为木质素共混催化热解制备碳纳米洋葱的方法，涉及固体废弃物转化为高性能碳材料领域。

背景技术

木质素是生物质的三大组分之一，在植物中的含量仅次于纤维素，是一类重要的含碳类可再生资源,全球年产量超过 3000 亿吨，并以每年7%的速度递增；同时木质素也是造纸黑液、水解残渣等工业固体废弃物的主要成分，年产量逾1 亿吨。如何实现木质素的高值化利用，对固体废弃物的资源化及环境保护具有重要意义。目前，木质素资源化利用方式主要集中在传统粗放的利用方式和新兴高值化利用方式。其中，木质素向高性能碳材料转化是木质素高值化利用的方式之一。

碳纳米洋葱（Carbon Nano Onions，简称 CNOs），作为碳纳米材料家族的新兴成员，在1992年被首次发现报道。目前，CNOs的传统合成方法主要有电弧放电、等离子体、催化化学气相沉积、纳米金刚石高温退火等方法。但这些方法普遍需要具备繁琐的合成步骤、昂贵的设备、苛刻的合成条件等才能达到比较理想的合成结果。因此，基于可再生含碳原料的低成本、易操作的CNOs的合成方法逐渐受到研究者们的重视。

木质素作为自然界可再生的含碳固体废弃物，产量巨大。采用木质素作为碳源，通过共混剂与催化剂的介入，利用共混催化热解方法制备高性能的碳纳米洋葱材料，不仅可以实现固体废弃物的高值化资源利用，还可以降低碳纳米洋葱的制备成本，达到节能、环保、经济等多重效果。

发明内容

技术问题：本发明旨在解决固体废弃物高值化利用及碳纳米洋葱低成本合成的问题，提出一种木质素共混催化热解制备碳纳米洋葱的方法，实现木质素向高性能碳纳米材料的高值化转化。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出一种木质素共混催化热解制备碳纳米洋葱的方法，实现木质素向高性能碳纳米材料的高值化转化。

一种木质素共混催化热解制备碳纳米洋葱的方法，其特征在于采用木质素作为碳源、废塑料作为共混剂、过渡金属作为催化剂，通过直接混合或者浸渍法将过渡金属引入到木质素中，随后将含有过渡金属的木质素与废塑料共混催化热解得到碳纳米洋葱，其中获得碳纳米洋葱的共混催化热解温度为700~900℃；过渡金属的用量为0.5-1 mmol/g；木质素与共混剂的共混比例为1：3~3：1。

所述的方法，其特征在于按如下步骤实现：

（1）热解样品的预处理：将过渡金属催化剂通过直接混合法或浸渍法引入到木质素中，然后将所得的含有过渡金属的木质素与共混剂进行充分混合，得到预处理完毕的热解样品；

（2）共混催化热解：取适量预处理完毕的热解样品放置于固定床反应器的相应位置，在开始升温前，连续通入 N₂，排尽空气，然后继续以N₂为保护气，并以10 ℃/min 的升温速率升温至目标温度，恒温2h后，自然冷却至室温，收集热解后的样品，得到相应的碳纳米材料。

所述的方法，其特征在于所述的木质素是从造纸黑液中提取的黑液木质素，也可以是通过其他方法从其他来源提取的木质素。

所述的方法，其特征在于所述的过渡金属为Ni、Co、Fe、或Mn，所述的过渡金属催化剂为单金属催化剂或双金属催化剂。