一种石墨化碳提纯方法与流程

2021-01-30 23:01:49|

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本发明涉及一种石墨化碳提纯方法，更具体地说，涉及一种酸选择性刻蚀无定型碳提纯石墨化碳材料方法。

背景技术：

石墨化碳材料由于其独特的结构和物理化学特性在电子器件、传感器、能源储存等领域引发关注。模板法、静电纺丝技术等技术能够将材料纳米化，已广泛用于制备有序介孔碳、碳纳米纤维、碳纳米管等功能材料。例如，在700度高温煅烧电纺聚丙烯腈可得到碳纳米纤维，但是得到的碳为无定型碳材料。催化剂（镍，钴，铁等）可催化无定型碳转化为石墨化碳，获得石墨化碳。但这些催化剂有效催化范围为周围5纳米左右的无定型碳，催化范围有限，催化能力固定，最终只能获得无定型碳和石墨化碳的复合材料。由于无定型碳的存在，减低了碳材料的导电率等，影响了碳材料的应用。因此开发一种简易、成本低廉的石墨化碳提纯方法是众多科研工作者倾力攻克的难题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有留在石墨化碳中的无定型碳分离困难的问题，提供一种成本低廉的石墨化碳提纯方法及其应用，用此方法可选择性地将无定型碳从石墨化碳中去除，最终获得纯石墨化碳，制备的石墨化碳材料在能源储存、环境处理、功能塑料等领域表现出优异的性能。

为实现本发明的目的采用技术方案如下：本发明提供了一种石墨化碳提纯的方法，依序包括如下步骤：

（1）配置酸溶液：配置浓度为0.5～10mol/l的酸溶液；

（2）碳材料与酸复配：将复合碳浸泡在步骤（1）配置的酸溶液中得复合碳/酸溶液，其中复合碳占酸溶液重量的1～80%；

（3）高温高压处理：将步骤（2）所得复合碳/酸溶液在高温高压下进行反应，通过酸选择性刻蚀复合碳进而去除留在复合碳中的无定型碳，得到石墨化碳；

（4）清洗和热处理：将步骤（3）获得的石墨化碳先后进行清洗和热处理除去石墨化碳表面的氧化功能基团，从而获得纯石墨化碳材料。

获得石墨化碳材料，1）可直接用作锂离子电池负极、钠离子电池负极、钾离子电池负极或超级电容器电极，电池电极可逆容量为100～1500mah/g；所述超级电容器的可逆容量为50～200f/g；2）一种功能助剂，增强塑料电学功能，获得优异电磁屏蔽性能；3）一种吸附剂，制得的石墨化碳材料对废水中的重金属离子具有良好的吸附效果，其中，对铅离子的吸附容量可到50mg/g，对hg(2+)吸附量可达到600mg/g等。

步骤（1）中所述酸溶液是指硝酸、盐酸或硫酸的混合酸，其中硝酸、盐酸和硫酸的摩尔比为：9～10：0～0.5：0～0.5。

步骤（2）中所述的复合碳是指由无特定形貌，无特定大小尺寸的无定型碳和石墨化碳组成的任何碳材料。

步骤（2）中所述的复合碳中也可含有其它可溶于酸的金属或氧化物，通过提纯过程可在提纯石墨化碳材料中引入孔性结构。

步骤（3）中所述的高温高压处理，温度为120～300℃，压力为1～100mpa，处理时间为1～20h。

步骤（4）中所述的清洗是指用蒸馏水和95%酒精顺序清洗，清洗至ph值在6.5～7.0之间。

步骤（4）中所述的热处理，热处理温度在500～1000℃之间，热处理时间为0.5～1h，热处理过程边通氢气/氩气，或氢气/氮气还原气体，边抽真空至真空度在-100～-1000torr。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明提纯技术具有高效、快速、选择性高等优点，获得的碳材料石墨化纯度高、导电率高、可循环使用，结构稳定，抵抗外界破坏能力强。

（2）本发明报道的一种提纯石墨化碳方法，不受提纯材料形貌的约束，不受提纯材料尺度大小的影响，最终所得到的石墨化碳材料其形貌可以是零维颗粒，一维纤维或二维薄膜等等，石墨化纯度高。如提纯材料中含有可溶于酸的材料，通过提纯过程可在材料中引入多孔结构。

（3）本发明方法制备的石墨化碳材料具有广泛的应用，直接作为电极组装锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池或超级电容器等具有能量密度高、稳定性好、寿命长等优点；可作为填充剂，增强塑料电学功能，获得优异电磁屏蔽性能；直接作为吸附剂，对废水中的重金属离子具有良好的吸附效果。

（4）本发明一种提纯石墨碳的方法，技术简单，操作容易，可大量制备。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

实施例1

1、将浓硝酸稀释配置4mol/l硝酸溶液；

2、将10mg一维复合碳纤维浸泡在25ml4mol/l硝酸溶液中；

3、将上述步骤2溶液转移到50ml水热反应釜在170℃温度下，反应15h，待反应釜冷却过滤获得一维石墨碳纤维；

4、将获得的一维石墨碳纤维用蒸馏水和95%酒精顺序清洗3次，清洗后ph值为6.5，烘干；

5、将烘干后的一维石墨碳纤维在边通氢气/氩气混合气体边抽真空至真空度-100torr条件下500℃热处理30min，去除氧化官能团；

6、按常规方法制备锂离子电极：以制备的上述石墨碳纤维为工作电极，锂片为对电极，celgard2400为隔膜，以1mol/llipf6inec:dmc:emc(1:1:1体积比)为电解液，制备成扣式电池。测试电压范围为0～3v。当电流密度为50ma/g进行充放电性能测试时，质量比容量为900mah/g。

实施例2

1、将浓硝酸稀释配置6mol/l硝酸溶液；

2、将10mg嵌有镍颗粒的复合碳纳米纤维浸泡在20ml6mol/l硝酸溶液中；

3、将上述步骤2溶液转移到50ml水热反应釜在150℃温度下，反应12h，待反应釜冷却过滤获得空心碳纳米材料；

4、将获得的空心碳纳米材料用蒸馏水和95%酒精顺序清洗3次，清洗后ph值为6.8，烘干；

5、将烘干后的空心石墨化碳纳米材料边通氢气/氮气混合气体边抽真空至真空度-200torr条件下600℃热处理30min去除氧化官能团；

6、按常规方法制备电容器电极：以制备的上述空心石墨化碳纳米材料为工作电极，pt为对电极，hg/hgo电极为参比电极组成三电极系统，并将其浸泡在2mol/ln2so4或koh的电解液中，组装成电容器单元。测试电压范围为0～0.9v。当电流密度为500ma/g进行充分电性能测试时，比电容值为85f/g。

实施例3

1、将浓硝酸稀释配置7mol/l混合酸，其中硝酸比盐酸摩尔比9.5:0.5；

2、将10mg二维复合碳膜浸泡在25ml7mol/l混酸溶液中；

3、将上述步骤2溶液转移到50ml水热反应釜在180℃温度下，反应10h，待反应釜冷却过滤获得二维超薄石墨化碳膜；

4、将获得的二维超薄石墨化碳膜用蒸馏水和95%酒精顺序清洗3次，清洗后ph值为6.5，烘干；

5、将烘干后的二维超薄石墨化碳膜在边通氢气/氩气混合气体边抽真空至真空度-300torr条件下在700℃热处理30min去除杂质官能团；

6、将所制备的材料放入含有重金属离子的废水中，所制备二维超薄石墨化碳膜对废水中的重金属离子具有良好的吸附效果，其中,对铅离子的吸附容量可到50mg/g，对hg(2+)吸附量可达到500mg/g。

实施例4

1、将浓硝酸稀释配置5mol/l混合酸，其中硝酸、盐酸、硫酸摩尔比为9:0.5:0.5；

2、将20mg复合碳颗粒浸泡在20ml5mol/l混合酸溶液中；

3、将上述步骤2溶液转移到50ml水热反应釜在160℃温度下，反应10h，待反应釜冷却过滤获得石墨化碳颗粒；

4、将获得的石墨化碳材料用蒸馏水和95%酒精顺序清洗3次，并烘干；