TWI724981B - 碳化物的製備方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種碳化物的製備方法，其包含提供一碳源、進行一接觸步驟、進行一加熱步驟以及進行一電化學步驟。所述碳源包含一無定型碳及一化合物。在接觸步驟中，係將碳源放入一鹼土金屬鹵化物中，以得到一反應物。在加熱步驟中，係於一惰性氣體環境中對反應物加熱，以形成一高溫反應物。在電化學步驟中，係對高溫反應物施加電流，電流通過碳源，使鹼土金屬鹵化物、無定型碳及化合物產生反應，以形成碳化物。此製備方法可以減少無定型碳反應所需要的溫度及時間，降低了製程複雜度，同時大幅節省能源消耗及生產成本。

Description

碳化物的製備方法
本發明是有關一種熔鹽電化學方法，特別是有關一種製備碳化物的熔鹽電化學方法。
無定型碳（amorphous carbon）是一種結晶度相當低的碳材料，無定型碳中含有許多由氫、氧及氮元素所組成的官能基，構成了無定型碳中不規則的晶型結構；若對無定型碳施以高溫，有機會使其結構規律地重組排列，使無定型碳轉化成結晶度高的石墨，此過程稱為石墨化。
依據結構上的差異，又可以將無定型碳分為易石墨化的軟碳及不易石墨化的硬碳，軟碳的晶格排列較接近石墨，石油焦、焦炭或碳纖維等均屬於軟碳，而硬碳的晶格排列較軟碳更為雜亂，反應性也較軟碳差，常見的硬碳有碳化後的聚合物、木炭、碳黑、醣類或植物纖維等。
舉例而言，若要對軟碳及硬碳進行石墨化，軟碳必須在2500°C以上的高溫，持續加熱48～120小時才能形成石墨，而硬碳即使在2500°C以上的高溫環境中，也難以轉變為石墨。由此可知，無定型碳的反應條件相當嚴苛，若要對無定型碳進行加工，必須花費相當多的能源及時間，不僅增加了加工成本，也大量消耗了環境資源。
有鑑於此，如何讓無定型碳在簡單的反應條件下，進行石墨化或改質反應，仍為待解決的問題。
為了解決上述問題，本發明的目的是提供一種製備方法，係在較為低溫且快速的反應條件下加工無定型碳。
本發明提供一種碳化物的製備方法，其包含提供一碳源、進行一接觸步驟、進行一加熱步驟以及進行一電化學步驟。所述碳源包含一無定型碳及一化合物。接觸步驟係將碳源放入一鹼土金屬鹵化物中，以得到一反應物。加熱步驟係於一惰性氣體環境中對反應物加熱，使反應物中的鹼土金屬鹵化物成熔融態，以形成一高溫反應物。電化學步驟係對高溫反應物施加電流，電流通過碳源，使鹼土金屬鹵化物、無定型碳及化合物產生反應，以形成碳化物。其中，所述化合物為一金屬的氧族化合物、氮族化合物、鹵化物、氫氧化物或鹽類，或是一類金屬的氧族化合物、氮族化合物、鹵化物、氫氧化物或鹽類，且碳化物為所述金屬的碳化物或所述類金屬的碳化物。
據此，本發明的製備方法是利用熔融態的鹼土金屬鹵化物先與無定型碳反應，除去無定型碳中的官能基，使無定型碳轉化為晶型規律的石墨微晶，石墨微晶可以與包含金屬或類金屬的化合物反應，進而形成碳化物，此製備方法可以減少反應所需要的溫度及時間，降低了製程複雜度，同時大幅節省能源消耗及生產成本。
依據前述的碳化物的製備方法，其中進行電化學步驟時，更可以包含形成一石墨。
依據前述的碳化物的製備方法，其中所述無定型碳可以由一含碳物質依序經酸化、清洗乾燥及乾餾處理而製成。
依據前述的碳化物的製備方法，其中所述含碳物質可以包含一碳氫化合物或一有機高分子。
依據前述的碳化物的製備方法，其中所述金屬的氧族化合物可以為一金屬氧化物、一金屬硫化物、一金屬硒化物或一金屬碲化物，所述金屬的氮族化合物可以為一金屬氮化物或一金屬磷化物，所述金屬的鹵化物可以為一金屬氟化物、一金屬氯化物、一金屬溴化物或一金屬碘化物，所述金屬的鹽類可以為一金屬次磷酸鹽、一金屬硼酸鹽、一金屬過氯酸鹽、一金屬次氯酸鹽、一金屬醋酸鹽、一金屬亞磷酸鹽、一金屬硫酸鹽、一金屬亞硫酸鹽、一金屬碳酸鹽、一金屬草酸鹽或一金屬磷酸鹽，且所述金屬可以為鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬、鎢、錳、鎝、錸、鐵、釕、鋨、鈷、銠、銥、鎳、鈀、鉑、銅、銀、金、鋅、鎘、汞、鋁、鎵、銦、鉈、錫、鉛、鉍、鈧、釔、鑭系元素或錒系元素。
依據前述的碳化物的製備方法，其中所述化合物可以為氧化鐵，氧化鐵的重量可以為所述無定型碳的重量的R 1倍，且0.11 ＜ R 1＜ 10。
依據前述的碳化物的製備方法，其中所述化合物可以為鈦氧化物，鈦氧化物的重量可以為所述無定型碳的重量的R 2倍，且0.11 ＜ R 2＜ 10。
依據前述的碳化物的製備方法，其中所述類金屬的氧族化合物可以為一類金屬氧化物、一類金屬硫化物、一類金屬硒化物或一類金屬碲化物，所述類金屬的氮族化合物可以為一類金屬氮化物或一類金屬磷化物，所述類金屬的鹵化物可以為一類金屬氟化物、一類金屬氯化物、一類金屬溴化物或一類金屬碘化物，所述類金屬的鹽類可以為一類金屬次磷酸鹽、一類金屬硼酸鹽、一類金屬過氯酸鹽、一類金屬次氯酸鹽、一類金屬醋酸鹽、一類金屬亞磷酸鹽、一類金屬硫酸鹽、一類金屬亞硫酸鹽、一類金屬碳酸鹽、一類金屬草酸鹽或一類金屬磷酸鹽，且所述類金屬可以為硼、矽、鍺、砷或銻。
依據前述的碳化物的製備方法，其中所述化合物可以為氧化矽，氧化矽的重量可以為所述無定型碳的重量的R 3倍，且0.43 ＜ R 3＜ 9。
依據前述的碳化物的製備方法，其中所述碳源中更可以包含一添加劑。
依據前述的碳化物的製備方法，其中所述添加劑可以為一過渡金屬的氧化物或鹵化物，且所述過渡金屬可以為鉻、錳、鐵、鈷、鎳或銅。
依據前述的碳化物的製備方法，其中添加劑佔所述碳源的重量比可以為0.1%～30%。
依據前述的碳化物的製備方法，其中所述鹼土金屬鹵化物可以選自由氟化鎂、氟化鈣、氟化鍶、氟化鋇、氯化鎂、氯化鈣、氯化鍶、氯化鋇、溴化鎂、溴化鈣、溴化鍶、溴化鋇、碘化鎂、碘化鈣、碘化鍶及碘化鋇所組成之群組。
依據前述的碳化物的製備方法，其中所述鹼土金屬鹵化物可以為氯化鎂或氯化鈣，所述反應物中更可以包含氯化鈉，且鹼土金屬鹵化物與氯化鈉的莫耳比可以為6:4。
依據前述的碳化物的製備方法，其中所述鹼土金屬鹵化物可以為氯化鎂或氯化鈣，所述反應物中更可以包含氯化鈉及氯化鉀，且鹼土金屬鹵化物、氯化鈉與氯化鉀的莫耳比可以為6:2:2。
依據前述的碳化物的製備方法，其中進行加熱步驟時，可以將反應物加熱至500°C～1500°C。
依據前述的碳化物的製備方法，其中進行電化學步驟時，對高溫反應物施加的電壓大小為-4 V～-0.1 V。
請參照第1圖，第1圖為本發明之一實施方式的一種碳化物的製備方法100的步驟流程圖。碳化物的製備方法100包含步驟110、步驟120、步驟130及步驟140。
步驟110為提供一碳源，所述碳源包含一無定型碳及一化合物。
所述無定型碳可以由一含碳物質經前處理而成，而含碳物質可以包含一碳氫化合物或一有機高分子。詳言之，所述含碳物質可以為石油產物、植物廢棄物或樹脂等，且根據含碳物質的結構排列方式，其所製成的無定型碳又可分為硬碳及軟碳。舉例而言，若含碳物質具有排列較雜亂的立體結構（例如：烷類化合物或含纖維素或木質素之植物），其製得的無定型碳即使經過高溫處理，也難以排列成石墨的層狀結構，故此類無定型碳屬於硬碳；反之，若含碳物質具有排列較規律的結構（例如：炔類化合物），則製得的無定型碳較易形成石墨，故屬於軟碳。不論是硬碳或軟碳，均可以使用本方法製成碳化物，是以本發明的碳化物的製備方法的應用範圍相當廣泛。
上述前處理可以依序為酸化、清洗乾燥及乾餾處理。酸化處理係將含碳物質浸泡於一酸性溶液中，藉此移除含碳物質中可能含有的金屬雜質，例如植物中常見的鈉化合物、鈣化合物及鉀化合物等，酸化後可以使用去離子水清洗含碳物質，並對含碳物質進行乾燥。乾燥後便可以對含碳物質進行乾餾，以將含碳物質中大部分的非碳元素去除，並製得碳含量高的無定型碳。
所述化合物為一金屬的氧族化合物、氮族化合物、鹵化物、氫氧化物或鹽類，或是一類金屬的氧族化合物、氮族化合物、鹵化物、氫氧化物或鹽類。其中，所述氧族化合物可以為一氧化物、一硫化物、一硒化物或一碲化物，所述氮族化合物可以為一氮化物或一磷化物，所述鹵化物則可以為一氟化物、一氯化物、一溴化物或一碘化物，而所述鹽類可以為一次磷酸鹽、一硼酸鹽、一過氯酸鹽、一次氯酸鹽、一醋酸鹽、一亞磷酸鹽、一硫酸鹽、一亞硫酸鹽、一碳酸鹽、一草酸鹽或一磷酸鹽。所述金屬可以為鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬、鎢、錳、鎝、錸、鐵、釕、鋨、鈷、銠、銥、鎳、鈀、鉑、銅、銀、金、鋅、鎘、汞、鋁、鎵、銦、鉈、錫、鉛、鉍、鈧、釔、鑭系元素或錒系元素。所述類金屬可以為硼、矽、鍺、砷或銻。
所述化合物可以為氧化鐵（Fe 2O 3），氧化鐵的重量可以為無定型碳的重量的R 1倍，且0.11 ＜ R 1＜ 10。所述化合物也可以為鈦氧化物，鈦氧化物的重量可以為無定型碳的重量的R 2倍，且0.11 ＜ R 2＜ 10。所述化合物也可以為氧化矽，氧化矽的重量可以為無定型碳的重量的R 3倍，且0.43 ＜ R 3＜ 9。藉由控制化合物及無定型碳的比例，可以提升碳化物的產率，惟本發明並不以上述化合物種類及比例為限。
所述碳源中，更可以包含一添加劑。所述添加劑可以為一過渡金屬的氧化物或鹵化物，且所述過渡金屬可以為鉻、錳、鐵、鈷、鎳或銅。添加劑可以幫助無定型碳分解成石墨微晶，與無定型碳相比，石墨微晶的反應性較佳，較容易與前述化合物反應形成碳化物，因此可以提升碳化物的生產效率。此外，添加劑佔所述碳源的重量比可以為0.1%～30%。
步驟120為進行一接觸步驟，係將所述碳源放入一鹼土金屬鹵化物中，以得到一反應物。所述鹼土金屬鹵化物可以選自由氟化鎂、氟化鈣、氟化鍶、氟化鋇、氯化鎂、氯化鈣、氯化鍶、氯化鋇、溴化鎂、溴化鈣、溴化鍶、溴化鋇、碘化鎂、碘化鈣、碘化鍶及碘化鋇所組成之群組。與習知石墨化反應需要高達3000°C的反應溫度相比，此類鹼土金屬鹵化物在較低溫的狀態下，即可形成熔融態並進行反應，故可以大幅節省能源消耗及生產成本。
除此之外，鹼土金屬鹵化物更可以與鹼金屬鹵化物搭配使用，可透過共晶反應有效降低熔鹽融化溫度。例如，當鹼土金屬鹵化物為氯化鎂或氯化鈣時，所述反應物中更可以包含氯化鈉，且鹼土金屬鹵化物與氯化鈉的莫耳比可以為6:4，或者，所述反應物中更可以包含氯化鈉及氯化鉀，且鹼土金屬鹵化物、氯化鈉與氯化鉀的莫耳比可以為6:2:2。
步驟130為進行一加熱步驟，係於一惰性氣體環境中對前述反應物加熱，使反應物中的鹼土金屬鹵化物成熔融態，以形成一高溫反應物。其中，此步驟的加熱溫度視鹼土金屬鹵化物的種類及其熔點而定，若鹼土金屬鹵化物為前述所列舉之化合物，則可以將反應物加熱至500°C～1500°C，使鹼土金屬鹵化物成熔融態後，即可繼續進行後續步驟。
步驟140為進行一電化學步驟，係對所述高溫反應物施加電流，電流會通過所述碳源，並使高溫反應物中的鹼土金屬鹵化物、無定型碳及化合物產生反應，以形成所述碳化物。由於無定型碳包含許多石墨微晶，這些石墨微晶是經由含氧官能基所連接，進而形成具有不規則立體結構的無定型碳。熔融態的鹼土金屬鹵化物可以跟無定型碳反應，以去除無定型碳中的含氧官能基，進而使石墨微晶脫離無定型碳。在電流的作用下，石墨微晶可以與所述碳源中的化合物進行反應，以形成所述碳化物，且依據化合物的種類，所形成的碳化物又分為金屬或類金屬的碳化物，或者，石墨微晶也可以排列而形成石墨。
其中，於電化學步驟中，對所述高溫反應物施加的電壓大小可以為-4 V～-0.1 V，以提供適當的電壓大小供碳化物形成。實際的電流大小則可以視材料的種類、重量及比例而定，舉例而言，所述碳源的重量若為50 g～100 g，則對高溫反應物施加的電流大小可以為0.1 A～0.8 A。
除此之外，上述的碳化物製備方法可以於3～6小時內完成，大幅節省反應時間，也降低了生產過程所需的能源及成本。
以下將採用本發明的碳化物的製備方法，調整材料種類、比例以及製備條件，並對製備出來的產物進行X光繞射分析及拉曼光譜分析，藉此判斷產物的化學組成。
1.化合物為氧化鐵
在本實驗中，所述碳源中的化合物選用氧化鐵，氧化鐵與無定型碳的比例如下表1所示。
  無定型碳的比例（wt.%） 氧化鐵的比例（wt.%） 氧化鐵與無定型碳的重量比（倍）
實施例1 80 20 0.25
實施例2 70 30 0.43
比較例1 100 0 0
比較例2 90 10 0.11
表1、氧化鐵與無定型碳之比例
請參照第2圖，第2圖為實施例1、實施例2、比較例1及比較例2的產物的X光繞射分析圖。在第2圖中，可以由特徵峰P1、P2、P3判斷產物的成分，其中特徵峰P1代表石墨、特徵峰P2代表氧化鐵且特徵峰P3代表碳化鐵。
當氧化鐵的重量為無定型碳的重量的0及0.11倍時，產物的X光繞射分析圖未出現明顯的特徵峰P3，而當氧化鐵的重量為無定型碳的重量的0.25及0.43倍時，產物的X光繞射分析圖中，特徵峰P3的強度大幅提升，由此上述結果可知，若氧化鐵比例不足，則不易生成碳化鐵。
此外，當氧化鐵的重量為無定型碳的重量的0.25倍時，產物的X光繞射分析圖出現明顯的特徵峰P1及P3，代表產物同時包含碳化鐵及石墨。然而，當氧化鐵的重量為無定型碳的重量的0.43倍時，X光繞射分析圖上並未出現特徵峰P1及P2，此時無定型碳與氧化鐵的比例恰當且傾向生成碳化鐵，故此比例可以提升碳化鐵的產率。
2.化合物為氧化鈦
請參照第3圖，第3圖為實施例3的產物的拉曼光譜分析圖。在本實驗中，實施例3的碳源中的化合物選用氧化鈦，且氧化鈦的重量為無定型碳的重量的1倍。
在第3圖中，可以判讀到峰A、B、C、D及G，峰A、B及C代表碳化鈦，峰D代表無定型碳，而峰G代表石墨。相較於峰D及G，峰A、B及C的強度相當高，代表藉由本發明的製備方法，氧化鈦與無定型碳可以反應並生成大量的碳化鈦。
3.化合物為氧化矽
在本實驗中，所述碳源中的化合物選用氧化矽，氧化矽與無定型碳的比例如下表2所示。
  無定型碳的比例（wt.%） 氧化矽的比例（wt.%） 氧化矽與無定型碳的重量比（倍）
實施例4 50 50 1
實施例5 20 80 4
比較例3 70 30 0.43
比較例4 10 90 9
表2、氧化矽與無定型碳之比例
請參照第4圖，第4圖為實施例4、實施例5、比較例3及比較例4的產物的X光繞射分析圖。在第4圖中，特徵峰P1代表石墨，比較例4下方的虛線線段代表矽的特徵峰值，而實線線段代表碳化矽的特徵峰值。
當氧化矽的重量為無定型碳的重量的1及4倍時，X光繞射結果顯示，產物當中主要包含碳化矽。當氧化矽的重量為無定型碳的重量的0.43倍時，特徵峰P1出現，代表此比例傾向生成石墨，而當氧化矽的重量為無定型碳的重量的9倍時，矽的特徵峰相當明顯，代表此比例傾向生成矽。依據上述實驗結果，若碳源中的化合物為氧化矽，氧化矽的重量較佳為無定型碳的重量的R 3倍，且0.43 ＜ R 3＜ 9，以利生成碳化矽。
請參照第5A圖、第5B圖及第5C圖，第5A圖、第5B圖及第5C圖分別為比較例3、實施例5及比較例4的產物的掃描電子顯微鏡圖。本實驗所合成的碳化矽具有奈米線的結構，因此在第5B圖中，可以看到產物包含許多直線的針狀結構，即為碳化矽的結晶，反之，第5A圖及第5C圖中則未出現類似的針狀結構，可以判定比較例3及比較例4較不易合成碳化矽。除此之外，在比較例3中，可以由無定型碳合成出石墨，因此在第5A圖中可以觀察到許多石墨的片狀結晶。
4.不同種類之無定型碳
在本系列的實驗中，係選用稻殼、甘蔗渣及咖啡渣做為含碳物質，以獲得不同種類的無定型碳，並確認本發明的碳化物的製備方法是否適用於各種無定型碳。
4-1.含碳物質為稻殼
本實驗係選用稻殼製備出無定型碳，且分別對不同實施例調整電化學步驟中的電壓大小，其中實施例6、實施例7及實施例8所使用的電壓大小分別為-2.8 V、-2.6 V及-2.4 V。
請參照第6A圖及第6B圖，第6A圖為稻殼的實際照片及稻殼經前處理後的掃描電子顯微鏡圖，第6B圖為第6A圖的稻殼經前述製備方法所製得的產物的實際照片及掃描電子顯微鏡圖。比較第6A圖及第6B圖的顯微鏡圖，可以發現第6B圖中出現石墨所形成的層狀結構，據此得知稻殼經過本發明的製備方法處理後可以形成石墨。
請參照第7圖，第7圖為實施例6～實施例8及比較例5的產物的拉曼光譜分析圖，其中，比較例5為稻殼經前處理後所形成的無定型碳。在第7圖中，可以判讀到峰D、G及2D，峰D代表無定型碳，峰G及2D代表石墨。相較於比較例5，實施例6～實施例8的峰D及G的鑑別度提高，且實施例6～實施例8均出現峰2D，進一步證明藉由本發明的製備方法，可以使稻殼順利進行反應並合成出石墨。
4-2.含碳物質為甘蔗渣
本實驗係選用甘蔗渣製備出無定型碳，且分別對不同實施例調整電化學步驟的處理時間，其中實施例9及實施例10所使用的電壓大小為-2.8 V，而電化學步驟則分別持續了6小時及11小時。
請參照第8A圖及第8B圖，第8A圖為甘蔗渣的實際照片及甘蔗渣經前處理後的掃描電子顯微鏡圖，第8B圖為第8A圖的甘蔗渣經前述製備方法所製得的產物的實際照片及掃描電子顯微鏡圖。比較第8A圖及第8B圖的顯微鏡圖，可以發現第8B圖中出現石墨所形成的層狀結構，據此得知甘蔗渣經過本發明的製備方法處理後可以形成石墨。
請一併參照第9圖及第10圖，第9圖為實施例9、實施例10及比較例6的產物的拉曼光譜分析圖，第10圖為實施例10及比較例6的產物的X光繞射分析圖，其中，比較例6為甘蔗渣經前處理後所形成的無定型碳。在第9圖中，相較於比較例6，實施例9及實施例10的峰D及G的鑑別度提高且均出現峰2D，且在第10圖中，實施例10出現代表石墨的特徵峰P1，進一步證明藉由本發明的製備方法，可以使甘蔗渣順利進行反應並合成出石墨。
4-3.含碳物質為咖啡渣
本實驗係選用咖啡渣製備出無定型碳。請參照第11A圖及第11B圖，第11A圖為咖啡渣的實際照片及咖啡渣經前處理後的掃描電子顯微鏡圖，第11B圖為第11A圖的咖啡渣經前述製備方法所製得的產物的實際照片及掃描電子顯微鏡圖。比較第11A圖及第11B圖的顯微鏡圖，可以發現第11B圖中出現石墨所形成的層狀結構，據此得知咖啡渣經過本發明的製備方法處理後可以形成石墨。
請一併參照第12圖及第13圖，第12圖為實施例11及比較例7的產物的拉曼光譜分析圖，第13圖為實施例11及比較例7的產物的X光繞射分析圖，其中，比較例7為咖啡渣經前處理後所形成的無定型碳。在第12圖中，相較於比較例7，實施例11的峰D及G的鑑別度提高且出現峰2D，且在第13圖中，實施例11出現代表石墨的特徵峰P1，進一步證明藉由本發明的製備方法，可以使咖啡渣順利進行反應並合成出石墨。
5.使用添加劑
本實驗係於所述碳源中加入添加劑，並檢測添加劑是否可以幫助無定型碳分解成石墨微晶。其中，本實驗的碳源係被壓製成碳錠的型態來進行反應，實施例12的碳錠中含有氧化鐵做為添加劑，實施例13的碳錠則無添加劑。
請參照第14A圖及第14B圖，第14A圖為實施例12的產物內部的掃描電子顯微鏡圖，第14B圖為實施例13的產物內部的掃描電子顯微鏡圖。由第14A圖及第14B圖可以得知，雖然實施例12及實施例13的碳錠內部均出現石墨的層狀結構，但實施例12的層狀結構較為有序，代表實施例12的碳錠石墨化程度較高。
請一併參照第15圖及第16圖，第15圖為實施例12及實施例13的產物的拉曼光譜分析圖，第16圖為實施例12及實施例13的產物的X光繞射分析圖。在第15圖中，實施例12內部測得的峰D及G的鑑別度以及峰2D的強度均高於實施例13內部；而在第16圖中，實施例12內部的特徵峰P1強度明顯高於實施例13內部。上述數據皆顯示實施例12的碳錠的整體石墨化程度高於實施例13，代表添加劑可以幫助無定型碳形成石墨微晶，而石墨微晶可以與化合物反應形成碳化物，故間接提升了碳化物的合成效率。
綜上所述，本發明的製備方法是利用熔融態的鹼土金屬鹵化物先與無定型碳反應，除去無定型碳中的官能基，使無定型碳轉化為晶型規律的石墨微晶，石墨微晶可以與包含金屬或類金屬的化合物反應，進而形成碳化物，此製備方法可以減少反應所需要的溫度及時間，降低了製程複雜度，同時大幅節省能源消耗及生產成本。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:碳化物的製備方法 110,120,130,140:步驟 P1,P2,P3:特徵峰 A,B,C,D,G,2D:峰
第1圖為本發明之一實施方式的一種碳化物的製備方法的步驟流程圖； 第2圖為實施例1、實施例2、比較例1及比較例2的產物的X光繞射分析圖； 第3圖為實施例3的產物的拉曼光譜分析圖； 第4圖為實施例4、實施例5、比較例3及比較例4的產物的X光繞射分析圖； 第5A圖為比較例3的產物的掃描電子顯微鏡圖； 第5B圖為實施例5的產物的掃描電子顯微鏡圖； 第5C圖為比較例4的產物的掃描電子顯微鏡圖； 第6A圖為前述製備方法的一含碳物質為稻殼的實際照片及經前處理後的掃描電子顯微鏡圖； 第6B圖為第6A圖的稻殼經前述製備方法所製得的產物的實際照片及掃描電子顯微鏡圖； 第7圖為實施例6～實施例8及比較例5的產物的拉曼光譜分析圖； 第8A圖為前述製備方法的含碳物質為甘蔗渣的實際照片及經前處理後的掃描電子顯微鏡圖； 第8B圖為第8A圖的甘蔗渣經前述製備方法所製得的產物的實際照片及掃描電子顯微鏡圖； 第9圖為實施例9、實施例10及比較例6的產物的拉曼光譜分析圖； 第10圖為實施例10及比較例6的產物的X光繞射分析圖； 第11A圖為前述製備方法的含碳物質為咖啡渣的實際照片及經前處理後的掃描電子顯微鏡圖； 第11B圖為第11A圖的咖啡渣經前述製備方法所製得的產物的實際照片及掃描電子顯微鏡圖； 第12圖為實施例11及比較例7的產物的拉曼光譜分析圖； 第13圖為實施例11及比較例7的產物的X光繞射分析圖； 第14A圖為實施例12的產物內部的掃描電子顯微鏡圖； 第14B圖為實施例13的產物內部的掃描電子顯微鏡圖； 第15圖為實施例12及實施例13的產物的拉曼光譜分析圖；以及 第16圖為實施例12及實施例13的產物的X光繞射分析圖。
100:碳化物的製備方法
110,120,130,140:步驟

Claims (17)

  1. 一種碳化物的製備方法，包含： 提供一碳源，其包含一無定型碳及一化合物； 進行一接觸步驟，係將該碳源放入一鹼土金屬鹵化物中，以得到一反應物； 進行一加熱步驟，係於一惰性氣體環境中對該反應物加熱，使該反應物中的該鹼土金屬鹵化物成熔融態，以形成一高溫反應物；以及 進行一電化學步驟，係對該高溫反應物施加電流，電流通過該碳源，使該鹼土金屬鹵化物、該無定型碳及該化合物產生反應，以形成該碳化物； 其中，該化合物為一金屬的氧族化合物、氮族化合物、鹵化物、氫氧化物或鹽類，或是一類金屬的氧族化合物、氮族化合物、鹵化物、氫氧化物或鹽類，且該碳化物為該金屬的碳化物或該類金屬的碳化物。
  2. 如請求項1所述之碳化物的製備方法，其中進行該電化學步驟時，更包含形成一石墨。
  3. 如請求項1所述之碳化物的製備方法，其中該無定型碳係由一含碳物質依序經酸化、清洗乾燥及乾餾處理而製成。
  4. 如請求項3所述之碳化物的製備方法，其中該含碳物質包含一碳氫化合物或一有機高分子。
  5. 如請求項1所述之碳化物的製備方法，其中該金屬的氧族化合物為一金屬氧化物、一金屬硫化物、一金屬硒化物或一金屬碲化物，該金屬的氮族化合物為一金屬氮化物或一金屬磷化物，該金屬的鹵化物為一金屬氟化物、一金屬氯化物、一金屬溴化物或一金屬碘化物，該金屬的鹽類為一金屬次磷酸鹽、一金屬硼酸鹽、一金屬過氯酸鹽、一金屬次氯酸鹽、一金屬醋酸鹽、一金屬亞磷酸鹽、一金屬硫酸鹽、一金屬亞硫酸鹽、一金屬碳酸鹽、一金屬草酸鹽或一金屬磷酸鹽，且該金屬為鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬、鎢、錳、鎝、錸、鐵、釕、鋨、鈷、銠、銥、鎳、鈀、鉑、銅、銀、金、鋅、鎘、汞、鋁、鎵、銦、鉈、錫、鉛、鉍、鈧、釔、鑭系元素或錒系元素。
  6. 如請求項5所述之碳化物的製備方法，其中該化合物為氧化鐵，氧化鐵的重量為該無定型碳的重量的R 1倍，且0.11 ＜ R 1＜ 10。
  7. 如請求項5所述之碳化物的製備方法，其中該化合物為鈦氧化物，鈦氧化物的重量為該無定型碳的重量的R 2倍，且0.11 ＜ R 2＜ 10。
  8. 如請求項1所述之碳化物的製備方法，其中該類金屬的氧族化合物為一類金屬氧化物、一類金屬硫化物、一類金屬硒化物或一類金屬碲化物，該類金屬的氮族化合物為一類金屬氮化物或一類金屬磷化物，該類金屬的鹵化物為一類金屬氟化物、一類金屬氯化物、一類金屬溴化物或一類金屬碘化物，該類金屬的鹽類為一類金屬次磷酸鹽、一類金屬硼酸鹽、一類金屬過氯酸鹽、一類金屬次氯酸鹽、一類金屬醋酸鹽、一類金屬亞磷酸鹽、一類金屬硫酸鹽、一類金屬亞硫酸鹽、一類金屬碳酸鹽、一類金屬草酸鹽或一類金屬磷酸鹽，且該類金屬為硼、矽、鍺、砷或銻。
  9. 如請求項8所述之碳化物的製備方法，其中該化合物為氧化矽，氧化矽的重量為該無定型碳的重量的R 3倍，且0.43 ＜ R 3＜ 9。
  10. 如請求項1所述之碳化物的製備方法，其中該碳源中更包含一添加劑。
  11. 如請求項10所述之碳化物的製備方法，其中該添加劑為一過渡金屬的氧化物或鹵化物，且該過渡金屬為鉻、錳、鐵、鈷、鎳或銅。
  12. 如請求項10所述之碳化物的製備方法，其中該添加劑佔該碳源的重量比為0.1%～30%。
  13. 如請求項1所述之碳化物的製備方法，其中該鹼土金屬鹵化物係選自由氟化鎂、氟化鈣、氟化鍶、氟化鋇、氯化鎂、氯化鈣、氯化鍶、氯化鋇、溴化鎂、溴化鈣、溴化鍶、溴化鋇、碘化鎂、碘化鈣、碘化鍶及碘化鋇所組成之群組。
  14. 如請求項13所述之碳化物的製備方法，其中該鹼土金屬鹵化物為氯化鎂或氯化鈣，該反應物中更包含氯化鈉，且該鹼土金屬鹵化物與氯化鈉的莫耳比為6:4。
  15. 如請求項13所述之碳化物的製備方法，其中該鹼土金屬鹵化物為氯化鎂或氯化鈣，該反應物中更包含氯化鈉及氯化鉀，且該鹼土金屬鹵化物、氯化鈉與氯化鉀的莫耳比為6:2:2。
  16. 如請求項13所述之碳化物的製備方法，其中進行該加熱步驟時，係將該反應物加熱至500°C～1500°C。
  17. 如請求項1所述之碳化物的製備方法，其中進行該電化學步驟時，對該高溫反應物施加的電壓大小為-4 V～-0.1 V。
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