[发明专利]一种稻壳炭基石墨化碳材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种以农林废弃物为原料制备石墨化碳材料的方法，属生物质高质化利用技术领域。以稻壳炭（稻壳无氧燃烧后的产物）为碳源，通过热碱法除硅后，通过球磨将催化剂和碳质原料混合，在气氛炉中700‑1000℃下加热一段时间，冷却，即得高石墨化度碳材料。此种方法所用设备及操作简单，过程过渡金属离子循环使用，生产过程绿色环保，并且可以通过控制催化剂用量以及温度来调控比表面积及石墨化度.适宜的条件下，石墨化度高达97%，石墨碳材料的收率45%。所得的高石墨化度的碳材料可用于制备石墨烯、膨胀石墨、电极和超级电容器等高端产品及材料,为生物质的高质化利用提供了新途径。

技术领域

本发明涉及化工新材料及生物质高质化利用技术领域,具体涉及稻壳炭催化石墨化碳材料的制备方法。

背景技术

我国是世界上最大的稻谷生产国，统计资料表明，2020年我国稻谷产量达到2.1亿吨。稻壳是稻谷的外壳，它是碾米过程的副产品，约占稻谷质量的20%,其中纤维素、半纤维素、木质素，还有少量的粗蛋白、脂类等约占75-90%；剩余的灰分主要为二氧化硅及少量的碱金属和极微量的重金属。

目前稻壳除部分用于燃烧产热、气化发电，大部分被露天堆放，对环境带来现实和潜在的危害。稻壳经无氧燃烧产生的稻壳灰主要用于钢水保温领域,附加值较低；少量用于制备二氧化硅和多孔碳材料。

在高温下生物质经无氧燃烧脱除原材料中N、H、O等元素，形成碳骨架，主要影响因素为升温速率和炭化温度，所获得的碳为生物质硬碳。此硬碳材料为无定形碳，即使在高温下也难以石墨化。

由于石墨材料的及其重要性，广泛的用途及天然石墨资源的有限性，石墨的人工合成就成为领域的热点问题。目前从富含碳的石油资源制备石墨多采用高温高压法，而利用可再生的生物质硬碳制备石墨材料以成为解决石墨可持续供应的关键途径。

2012年LihuaGan首次报道了用香蕉皮与氨基酚糠醛树脂为原料，以硝酸锌制作锌配合物为催化剂，在含有糠醛和2-氨基苯酚混合溶液浸泡一周并固化，然后在N₂气氛下，800℃加热8h制备出石墨化碳。拉曼光谱显示了I_D/I_G≈0.76-0.93,[Journal of PowerSources 209 (2012) 152-157]。

2017年Leyi Zhao报道了以葡萄糖为碳源，镁粉为催化剂，在真空手套箱中混合碳源和催化剂，然后在Ar气氛下，800-1000℃加热1-3h，最后使用盐酸酸洗、蒸馏水洗涤，获得的石墨材料I_D/I_G≈0.4-0.9，[Chemistry Sustainable Energy Materials 17 (2017)3409-3418]。

中国专利CN106744918A发明了一种生物碳石墨化的方法。按下述步骤进行：（1）生物碳前体放入真空碳化机，在真空度5×10^-2-5×10-⁴Pa，900-1300℃下，将其炭化成碳粉；（2）将碳粉加入酸液中搅拌均匀，反应48-72h，所述的酸液为HF水溶液和HCl水溶液；（3）将提纯后的碳粉置于烘箱中烘干；（4）将烘干后的碳粉在2700-3000℃的条件下保温，后冷却至室温，得石墨化碳。