[发明专利]生物质基的石墨化碳及碳-碳复合材料的微波制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨碳，具体地说是一种高比表面积的石墨化碳及金属碳化物/石墨化碳复合材料的微波快速制备方法。

背景技术

与无定形碳相比，石墨碳具有高的结晶度、高的热稳定性、高的电导率和很强的抗氧化性能。近年来，由于石墨材料在电催化、燃料电池和锂离子电池等领域的潜在应用，越来越多的科研人员开始关注具有大比表面积的石墨材料的制备。一般制备石墨的方法都包含高温处理的步骤，通常要超过2000℃。然而，这种处理方法经常会造成碳材料的比表面积和孔容通常很小。为了克服这个缺点，最近人们发展了一种模板的方法制备大比表面积的石墨材料。以硅球或介孔氧化硅为模板，填充软碳材料为碳化前驱物，经过高温碳化，除去模板等步骤，得到部分石墨化的碳材料。这种方法制备的石墨化碳材料虽然有序度较好，但是，这种方法需要使用昂贵的介孔氧化硅模板剂，以及后续许多模板剂去除等繁杂的操作手续，并且只能得到部分石墨化的介孔碳材料。因此，迫切需要发明一种简便易行的制备方法，以降低大比表面积石墨化多孔碳的制备成本，为其在实际生产中的应用开拓广阔的前景。

富碳聚合物的碳化是制备碳材料的一种重要的方法，聚合物具有可设计的丰富的官能团，可以与金属形成共价键或配位键，因此可以一步方便的制备出碳及金属-碳复合材料。生物质碳化制备多孔碳和活性炭的方法已经使用了许多世纪了，与其它制备碳材料的原料如：烃类和聚合物相比，生物质具有许多独到的优点：如：来源和分布广泛、价格便宜、绿色环保和可再生等。微波加热具有快速高效、能耗低、无污染和易控制等优点，目前，微波碳化已经成为一种非常有前途的制备碳和碳复合材料方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简便易行的、具有高比表面积的石墨碳及碳-金属碳化物复合材料的快速制备方法，以及由此方法制备的碳及碳-金属碳化物纳米结构材料。

本发明提供了一种巧妙的利用了导电聚合物PPy(聚吡咯)的吸波性质和生物高分子的微/介观结构特征，以微波提供能量，以铁作为催化剂催化铁掺杂的导电高分子/生物质复合物在短时间内迅速石墨化，形成大比表面积、丰富多样的石墨化的碳纳米结构的方法。

生物质材料具有特殊的微观和介观相结合的多尺度结构，经过浸渍和蒸汽相聚合，乃至微波碳化的过程中，这种结构都得到了保持。正是这种结构的存在提高了材料对微波的吸收效率，保证了材料石墨化进程的持续进行。

生物质在微波作用下分解生成大量含有烃类和氢的气体，它们和无定形碳在催化剂Fe的存在下，在微波处理过程在生物质材料石墨化的同时，生成了包括碳纳米管、碳纳米带、石墨薄片等在内的多种纳米结构；经过酸处理过的材料既具有大孔又具有介孔，同时在没有额外添加任何硬模板剂的情况下，材料也具有很高的比表面积和孔容。

利用铁掺杂的导电高分子/生物质复合物在微波场作用下独特的能量提供方式，提出了一种快速制备碳化物/碳纳米复合材料的方法，利用微波加热的方法，成功的制备出了金属碳化物/碳纳米结构。

本发明以蒸汽相聚合制备的铁掺杂的导电高分子与生物质形成的复合物为碳化前驱物，采用微波为给能方式，方便快速的制备出了具有高比表面积的石墨碳纳米结构材料，生成的碳纳米结构具有很高的石墨化程度，其中包括碳纳米管、碳纳米带、石墨薄片等；经过酸处理过的材料既具有大孔又具有介孔，同时在没有额外添加任何硬模板剂的情况下，材料也具有很高的比表面积和孔容，该材料的孔容为0.2-0.6cm³/g，比表面积为250-500m²/g。

钼酸铵或偏钨酸铵负载的Fe/PPy/生物质复合物微波处理后，在浓盐酸中超声处理以除去生成的FeC₃，得到碳化钼(或碳化钨)/石墨纳米复合材料，金属以碳化物纳米晶形式分散于石墨纳米结构中，该材料的金属含量为0.1-20.0wt％。

本发明所述的高比表面积的石墨碳纳米结构材料和碳化物/石墨纳米复合材料的制备方法如下：

(1)首先将吡咯聚合催化剂-FeCl₃溶解于溶剂中，得到一定浓度的澄清溶液；

(2)将富含纤维素的生物质浸渍于上述溶液中一段时间后取出，室温干燥；

(3)将生成物暴露于吡咯的蒸汽中，在温度20-110℃下气相聚合0.5-14.0天，得到Fe/PPy/生物质复合物；