CN112624104A - 一种木质纤维基高导电碳材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种木质纤维基高导电碳材料的制备方法，将木质纤维原料置于密闭坩埚内，炭化处理，之后将产物浸渍于含一定量Ni2+的水溶液中过夜，干燥待用。将浸渍Ni的炭置于耐高温密闭坩埚内，置于高温炉中反应一定时间，冷却后即得到最终产物。本发明针对木质纤维原料难以通过常规方法发生石墨化这一问题，采用了Ni催化法成功制得了石墨化程度较高的产物，其具有多于40层的石墨结构，并且所需温度比常规石墨化方法所需的2800℃显著降低。此外，作为催化剂的金属将以单质形式存在，有利于屏蔽效能的提高，亦避免了浓酸洗涤所导致二次污染的风险。所得产物于20MPa下电导率可超过100S/cm，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于炭质材料制备及应用技术领域，主要涉及一种木质纤维基高导电碳材料的制备方法。
技术领域
石墨化碳材料最大的特点就是具有优良的导电性，且物理化学性质稳定。目前，石墨化碳材料通常由沥青、石油焦等化石原料于高温高压条件下制得，不仅能巨大，而且对生产设备要求苛刻，使生产成本居高不下。相较而言，木质纤维原料不仅含碳量高。且具有来源广泛、可再生的显著优势，因此，以木质纤维原料代替传统化石能源制备高导电石墨化碳材料非常具有研究价值。
然而与石油焦、沥青等不同的是木质纤维原料的炭化产物均为难石墨化的无定形炭，即使加热到3000℃也依然难以发生有效的石墨化转化，因此本发明针对这一问题，采用Ni作为催化剂，可在相对较低的温度下(例如1400℃)实现木质纤维原料的石墨化。经石墨化处理后，Ni转变为单质形式存在于产物中，不需经过浓酸清洗，制备过程绿色环保，且所制得的石墨化样品具有良好的导电性，其于20MPa下电导率可超过100S/cm，在导电和电磁屏蔽领域均有良好的应用前景和发展潜力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效、低能耗的木质纤维基高导电碳材料的制备方法。
本发明的技术方案为：一种木质纤维基高导电碳材料的制备方法，包括以下步骤：
第一步，木质纤维原料的炭化及金属催化剂的负载：将木质纤维原料置于密闭坩埚内，高温炭化处理，将产物浸渍于含一定量Ni2+的水溶液中过夜，之后干燥得到负载Ni的炭待用；
第二步，将负载Ni的炭置于耐高温密闭坩埚内，置于高温炉中反应一定时间，Ni因炭的还原作用转变为单质Ni，进一步发生催化石墨化反应，冷却后即得到最终产物。
第一步炭化温度为400～600℃。
第一步负载Ni的炭的金属Ni负载量为2～5mmol/g。
石墨化反应温度为1200～1600℃。
石墨化反应时间为2～5h。
一种木质纤维基高导电碳材料的制备方法得到的高导电碳材料，采用Ni作为催化剂，使木质纤维原料在相对较低的温度下发生有效的石墨化转化得到的产物在20MPa下电导率超过100S/cm。
有益效果：
1.采用Ni催化法可于相对较低的温度下使难以发生石墨化的木质纤维原料发生有效的石墨化转化，显著低于传统石墨化所需的2800℃。所得产物可达到完全石墨化转化，结晶度接近天然石墨，同时其于20MPa下电导率可超过100S/cm。
2.石墨化反应后，作为催化剂的金属以单质形式存在，有利于提高产物的电磁屏蔽效能，同时亦避免了浓酸洗涤的步骤，使制备过程绿色、环保。
附图说明
图1为纤维素与木质素石墨化处理后的XRD谱图。
图2为纤维素与木质素石墨化处理后的TEM照片。
图3为产物在不同压力下的电导率变化曲线。
具体实施方式
一种木质纤维基高导电碳材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将原料纤维素和木质素在140℃下充分干燥后置于密闭坩埚内，于400℃下炭化处理1h。将炭化后的产物浸渍于含一定量Ni2+的水溶液中过夜，之后在140℃下干燥待用。
(2)将负载Ni后的炭置于耐高温密闭坩埚内，置于高温炉中反应一定时间，冷却后即可得到最终产物。
本发明针对木质纤维原料难以通过常规方法发生石墨化这一问题，采用了Ni催化法成功制得了石墨化程度较高的产物，具有多于40层的石墨结构，并且温度大大低于常规石墨化所需的2800℃。所得产物于20MPa下电导率可超过100S/cm，具有良好的应用前景。
实施例1：
将纤维素置于密闭坩埚内，于400℃下炭化处理1h。称取2g炭化后的产物浸渍于含一定量Ni2+的水溶液中过夜，之后在140℃下干燥待用，此时炭样品中Ni负载量为6mmol。将负载Ni的炭置于耐高温密闭坩埚内，置于高温炉中，升温至1200℃下反应3h后得到最终产物。经计算该产物石墨化度为43.6％，其于20MPa下电导率为57S/cm。
实施例2：
将纤维素置于密闭坩埚内，于400℃下炭化处理1h。称取2g炭化后的产物浸渍于含一定量Ni2+的水溶液中过夜，之后在140℃下干燥待用，此时炭样品中Ni负载量为6mmol。将负载Ni的炭置于耐高温密闭坩埚内，置于高温炉中，升温至1400℃下反应3h后得到最终产物。经计算该产物石墨化度为62.7％，其于20MPa下电导率为89S/cm。
实施例3：
将纤维素置于密闭坩埚内，于400℃下炭化处理1h。称取2g炭化后的产物浸渍于含一定量Ni2+的水溶液中过夜，之后在140℃下干燥待用，此时炭样品中Ni负载量为6mmol。将负载Ni的炭置于耐高温密闭坩埚内，置于高温炉中，升温至1600℃下反应3h后得到最终产物。经计算该产物石墨化度为69.2％，其于20MPa下电导率为104S/cm。
实施例4：
将纤维素置于密闭坩埚内，于400℃下炭化处理1h。称取2g炭化后的产物浸渍于含一定量Ni2+的水溶液中过夜，之后在140℃下干燥待用，此时炭样品中Ni负载量为4mmol。将负载Ni的炭置于耐高温密闭坩埚内，置于高温炉中，升温至1400℃下反应3h后得到最终产物。经计算该产物石墨化度为57.1％，其于20MPa下电导率为68S/cm。
实施例5：
将纤维素置于密闭坩埚内，于400℃下炭化处理1h。称取2g炭化后的产物浸渍于含一定量Ni2+的水溶液中过夜，之后在140℃下干燥待用，此时炭样品中Ni负载量为10mmol。将负载Ni的炭置于耐高温密闭坩埚内，置于高温炉中，升温至1400℃下反应3h后得到最终产物。经计算该产物石墨化度为68.4％，其于20MPa下电导率为76S/cm。
实施例6：
将纤维素置于密闭坩埚内，于400℃下炭化处理1h。称取2g炭化后的产物浸渍于含一定量Ni2+的水溶液中过夜，之后在140℃下干燥待用，此时炭样品中Ni负载量为6mmol。将负载Ni的炭置于耐高温密闭坩埚内，置于高温炉中，升温至1400℃下反应2h后得到最终产物。经计算该产物石墨化度为61.3％，其于20MPa下电导率为59S/cm。
实施例7：
将纤维素置于密闭坩埚内，于400℃下炭化处理1h。称取2g炭化后的产物浸渍于含一定量Ni2+的水溶液中过夜，之后在140℃下干燥待用，此时炭样品中Ni负载量为6mmol。将负载Ni的炭置于耐高温密闭坩埚内，置于高温炉中，升温至1400℃下反应5h后得到最终产物。经计算该产物石墨化度为70.5％，其于20MPa下电导率为84S/cm。
实施例8：
将木质素置于密闭坩埚内，于400℃下炭化处理1h。称取2g炭化后的产物浸渍于含一定量Ni2+的水溶液中过夜，之后在140℃下干燥待用，此时炭样品中Ni负载量为6mmol。将负载Ni的炭置于耐高温密闭坩埚内，置于高温炉中，升温至1200℃下反应3h后得到最终产物。经计算该产物石墨化度为39.7％，其于20MPa下电导率为44S/cm。
实施例9：
将木质素置于密闭坩埚内，于400℃下炭化处理1h。称取2g炭化后的产物浸渍于含一定量Ni2+的水溶液中过夜，之后在140℃下干燥待用，此时炭样品中Ni负载量为6mmol。将负载Ni的炭置于耐高温密闭坩埚内，置于高温炉中，升温至1400℃下反应3h后得到最终产物。经计算该产物石墨化度为54.2％，其于20MPa下电导率为62S/cm。
实施例10：
将木质素置于密闭坩埚内，于400℃下炭化处理1h。称取2g炭化后的产物浸渍于含一定量Ni2+的水溶液中过夜，之后在140℃下干燥待用，此时炭样品中Ni负载量为6mmol。将负载Ni的炭置于耐高温密闭坩埚内，置于高温炉中，升温至1600℃下反应3h后得到最终产物。经计算该产物石墨化度为61.5％，其于20MPa下电导率为84S/cm。
实施例11：
将木质素置于密闭坩埚内，于400℃下炭化处理1h。称取2g炭化后的产物浸渍于含一定量Ni2+的水溶液中过夜，之后在140℃下干燥待用，此时炭样品中Ni负载量为4mmol。将负载Ni的炭置于耐高温密闭坩埚内，置于高温炉中，升温至1400℃下反应3h后得到最终产物。经计算该产物石墨化度为56.8％，其于20MPa下电导率为54S/cm。
实施例12：
将木质素置于密闭坩埚内，于400℃下炭化处理1h。称取2g炭化后的产物浸渍于含一定量Ni2+的水溶液中过夜，之后在140℃下干燥待用，此时炭样品中Ni负载量为10mmol。将负载Ni的炭置于耐高温密闭坩埚内，置于高温炉中，升温至1400℃下反应3h后得到最终产物。经计算该产物石墨化度为57.7％，其于20MPa下电导率为59S/cm。
实施例13：
将木质素置于密闭坩埚内，于400℃下炭化处理1h。称取2g炭化后的产物浸渍于含一定量Ni2+的水溶液中过夜，之后在140℃下干燥待用，此时炭样品中Ni负载量为6mmol。将负载Ni的炭置于耐高温密闭坩埚内，置于高温炉中，升温至1400℃下反应2h后得到最终产物。经计算该产物石墨化度为56.4％，其于20MPa下电导率为51S/cm。
实施例14：
将木质素置于密闭坩埚内，于400℃下炭化处理1h。称取2g炭化后的产物浸渍于含一定量Ni2+的水溶液中过夜，之后在140℃下干燥待用，此时炭样品中Ni负载量为6mmol。将负载Ni的炭置于耐高温密闭坩埚内，置于高温炉中，升温至1400℃下反应5h后得到最终产物。经计算该产物石墨化度为59.6％，其于20MPa下电导率为60S/cm。
Claims (6)
1.一种木质纤维基高导电碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，木质纤维原料的炭化及金属催化剂的负载：将木质纤维原料置于密闭坩埚内，高温炭化处理，将产物浸渍于含一定量Ni2+的水溶液中过夜，之后干燥得到负载Ni的炭待用；
第二步，将负载Ni的炭置于耐高温密闭坩埚内，置于高温炉中反应一定时间，Ni因炭的还原作用转变为单质Ni，进一步发生催化石墨化反应，冷却后即得到最终产物。
2.如权利要求1所述的一种木质纤维基高导电碳材料的制备方法，其特征在于，第一步炭化温度为400～600℃。
3.如权利要求1所述的一种木质纤维基高导电碳材料的制备方法，其特征在于，第一步负载Ni的炭的金属Ni负载量为2～5mmol/g。
4.如权利要求1所述的一种木质纤维基高导电碳材料的制备方法，其特征在于，石墨化反应温度为1200～1600℃。
5.如权利要求1所述的一种木质纤维基高导电碳材料的制备方法，其特征在于，石墨化反应时间为2～5h。
6.权利要求1～5任一所述的一种木质纤维基高导电碳材料的制备方法得到的高导电碳材料，其特征在于，采用Ni作为催化剂，使木质纤维原料在相对较低的温度下发生有效的石墨化转化得到的产物在20MPa下电导率超过100S/cm。
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