一种酸浆宿萼生物基碳材料及其制备方法

摘要

一种酸浆宿萼生物基碳材料，其是以酸浆果的宿萼为原料，经过酸和或碱处理后，在惰性气体氛围下，经高温裂解碳化而获得的一种仍保留相应多管道结构的生物基碳材料；酸浆宿萼生物基碳材料制备方法是：将酸浆果的宿萼洗净，在0‑6mol/L酸和或碱的水溶液中浸泡0‑48小时，然后用蒸馏水洗净晾干，得到酸浆宿萼生物质前驱体，将前面制得的酸浆宿萼生物质前驱体在N2或Ar等惰性气体保护下，在450℃‑900℃下裂解碳化0.5‑8小时。本发明的生物基碳材料，可作为模板物质，制备各种中空孔道形貌的无机、有机或无机‑有机复合材料等。本发明的碳材料的制备方法简单，易于操作和控制，原料来源广、成本低、对环境无污染。

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳材料及其制备方法。

背景技术

生物基碳材料因其原料可再生、来源广、价格低和无污染等优点成为新型碳材料的来源和研究热点，并在众多领域中得到了广泛应用，如超级电容器、燃料电池、锂离子电池、吸附材料、光催化复合材料、分子筛膜及催化剂载体等。

生物基碳材料的制备方法主要有水热碳化法和直接碳化法两种。直接碳化法是将生物质前驱体在无氧的环境中加热至300-1000℃而进行的裂解，所制得的碳材料导电性高、比表面积大。裂解条件分为慢速裂解、中速裂解和快速裂解，其特点是可根据裂解条件的控制，调控产物的形貌和性能，已成为应用最广泛的碳材料制备方法。

虽然目前已有生物质如各种花朵、花生壳、榴莲壳、酸枣壳、荷叶、水绵、柚子皮及油茶籽壳^[8]等，被制作成为不同形貌和性能的碳材料，但仍远远满足不了目前科学技术的进步以及社会发展的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用可再生的生物资源开发性能优良的酸浆宿萼生物基碳材料及制备方法。

本发明的碳材料是以酸浆果的宿萼为原料，经过酸和或碱处理后，在惰性气体氛围下，经高温裂解碳化而获得的一种仍保留相应多管道结构的生物基碳材料。

本发明的制备方法如下：

(1)将酸浆果的宿萼洗净，在0-6mol/L酸和或碱的水溶液中浸泡0-48小时，然后用蒸馏水洗净晾干，得到酸浆宿萼生物质前驱体。其中，所用的酸为H₂SO₄、HCl、HNO₃或CH₃COOH，碱为NaOH或KOH。

(2)将步骤(1)中制得的酸浆宿萼生物质前驱体在N₂或Ar等惰性气体保护下，在450℃-900℃下裂解碳化0.5-8小时，制备得到一种酸浆宿萼生物基碳材料。

本发明与现有碳材料相比有如下优点：

1、本发明所制备的生物基碳材料，采用的生物质前驱体是一种酸浆果的宿萼，略呈灯笼状，质轻且柔韧，有网状的细脉纹，中空，微观呈多管道结构。碳化后所得的碳材料仍保留相应中空孔道形貌，是一种具有特定形貌的新型碳材料。

2、本发明所制得的这种中空孔道形貌的碳材料可以作为超级电容器和太阳能电池等的电极或电解质等的基体或填充材料，还可以作为催化剂、助催化剂或载体等，以提高相应材料及器件的性能。

3、本发明所采用的酸浆果的宿萼、经过酸碱处理后的酸浆果的宿萼前驱体以及由其制备的生物基碳材料，可作为模板物质，制备各种中空孔道形貌的无机、有机或无机-有机复合材料等。

4、本发明的碳材料的制备方法简单，易于操作和控制，原料来源广、成本低、对环境无污染。

附图说明

图1是本发明中所采用的酸浆果的宿萼的照片图。

图2是本发明所制备得到的酸浆宿萼生物基碳材料的照片图。

图3是为本发明所制得的酸浆宿萼生物基碳材料的扫描电镜图。

图4是本发明所制得的酸浆宿萼生物基碳材料的X衍射图。

图5是本发明所制得的酸浆宿萼生物基碳材料的拉曼谱图。

对上述附图说明如下：从图1可以看出酸浆果的宿萼呈淡黄色灯笼状，其上分布着细小的网状脉络。图2是酸浆宿萼碳化后经研磨制得的酸浆宿萼生物基碳材料，为黑色粉体。图3是酸浆宿萼生物基碳材料粉体在乙醇中经超声分散后，滴到导电胶带上烘干，然后测试所得的扫描电镜图，从中可以看出，粉体的侧边缘部分布满网格式孔道，说明粉体由多重管式通道构成，孔道直径大约在10μm左右，粉体表面上清晰可见管式通道破碎后所形成的棱状沟槽。从图4的X衍射图可以看出，酸浆宿萼生物基碳材料主要在2θ＝22°和2θ＝43°处出现了特征衍射峰，分别代表着乱层石墨的(002)和(100)晶面，说明酸浆宿萼经高温裂解处理之后，形成了类六方石墨结构，但衍射峰呈馒头状，说明其属无定型碳材料。从图5的拉曼谱图可以看出，酸浆宿萼生物基碳材料的D峰和G峰，分别出现在1346cm^-1和1586cm^-1处。

具体实施方式：

实施例1

(1)将酸浆果的宿萼洗净，在6mol/L NaOH水溶液中浸泡24h，然后用蒸馏水洗净晾干，得到酸浆宿萼生物质前驱体。

(2)将步骤(1)中制得的酸浆宿萼生物质前驱体在N₂保护下，在700℃下裂解碳化3小时，制备得到一种酸浆宿萼生物基碳材料。

实施例2

(1)将酸浆果的宿萼洗净，在6mol/L HCl水溶液中浸泡24h，然后用蒸馏水洗净晾干，得到酸浆宿萼生物质前驱体。

(2)将步骤(1)中制得的酸浆宿萼生物质前驱体在N₂保护下，在700℃下裂解碳化3小时，制备得到一种酸浆宿萼生物基碳材料。

实施例3

(1)将酸浆果的宿萼洗净，在4mol/L HCl水溶液中浸泡8h，用蒸馏水洗净后，在6mol/L NaOH水溶液中浸泡8h，然后用蒸馏水洗净晾干，得到酸浆宿萼生物质前驱体。

(2)将步骤(1)中制得的酸浆宿萼生物质前驱体在N₂保护下，在550℃下裂解碳化2小时，制备得到一种酸浆宿萼生物基碳材料。

实施例4

(1)将酸浆果的宿萼洗净，在6mol/L NaOH水溶液中浸泡6h，用蒸馏水洗净后，在6mol/L HCl水溶液中浸泡6h，然后用蒸馏水洗净晾干，得到酸浆宿萼生物质前驱体。

(2)将步骤(1)中制得的酸浆宿萼生物质前驱体在N₂保护下，在450℃下裂解碳化8小时，制备得到一种酸浆宿萼生物基碳材料。

实施例5

(1)将酸浆果的宿萼洗净，在蒸馏水中浸泡24h，然后用蒸馏水洗净晾干，得到酸浆宿萼生物质前驱体。

(2)将步骤(1)中制得的酸浆宿萼生物质前驱体在N₂保护下，在900℃下裂解碳化3小时，制备得到一种酸浆宿萼生物基碳材料。

实施例6

(1)将酸浆果的宿萼洗净，在2mol/L KOH水溶液中浸泡24h，然后用蒸馏水洗净晾干，得到酸浆宿萼生物质前驱体。

(2)将步骤(1)中制得的酸浆宿萼生物质前驱体在N₂保护下，在500℃下裂解碳化1小时，制备得到一种酸浆宿萼生物基碳材料。

实施例7

(1)将酸浆果的宿萼洗净，在1mol/L H₂SO₄水溶液中浸泡4h，然后用蒸馏水洗净晾干，得到酸浆宿萼生物质前驱体。

(2)将步骤(1)中制得的酸浆宿萼生物质前驱体在N₂保护下，在500℃下裂解碳化1小时，制备得到一种酸浆宿萼生物基碳材料。

实施例8

(1)将酸浆果的宿萼洗净，在3mol/L HCl水溶液中浸泡24h，用蒸馏水洗净后，在3mol/L NaOH水溶液中浸泡24h，然后用蒸馏水洗净晾干，得到酸浆宿萼生物质前驱体。

(2)将步骤(1)中制得的酸浆宿萼生物质前驱体在N₂保护下，在500℃下裂解碳化1小时，制备得到一种酸浆宿萼生物基碳材料。

实施例9

(1)将酸浆果的宿萼洗净，在5mol/L CH₃COOH水溶液中浸泡48h，然后用蒸馏水洗净晾干，得到酸浆宿萼生物质前驱体。

(2)将步骤(1)中制得的酸浆宿萼生物质前驱体在N₂保护下，在500℃下裂解碳化1小时，制备得到一种酸浆宿萼生物基碳材料。

实施例10

(1)将酸浆果的宿萼洗净，然后用蒸馏水洗净晾干，得到酸浆宿萼生物质前驱体。

(2)将步骤(1)中制得的酸浆宿萼生物质前驱体在N₂保护下，在800℃下裂解碳化0.5小时，制备得到一种酸浆宿萼生物基碳材料。

实施例11

(1)将酸浆果的宿萼洗净，在3mol/L NaOH水溶液中浸泡12h，然后用蒸馏水洗净晾干，得到酸浆宿萼生物质前驱体。

(2)将步骤(1)中制得的酸浆宿萼生物质前驱体在Ar保护下，在600℃下裂解碳化1小时，制备得到一种酸浆宿萼生物基碳材料。

实施例12

(1)将酸浆果的宿萼洗净，在2mol/L HNO₃水溶液中浸泡10h，然后用蒸馏水洗净晾干，得到酸浆宿萼生物质前驱体。

(2)将步骤(1)中制得的酸浆宿萼生物质前驱体在Ar保护下，在500℃下裂解碳化6小时，制备得到一种酸浆宿萼生物基碳材料。