[发明专利]一种无定形碳材料的协同石墨化方法

说明书

技术领域

一种无定形碳材料的协同石墨化方法，涉及一种石墨化碳材料的制备方法。采用金属盐与熔融的活泼金属协同作用，在200～1200℃温度下将无定形碳材料转变为石墨化碳材料的方法，属于碳材料技术领域。

背景技术

无定形碳材料具有较高的比表面积、抗腐蚀性、可导电性、价格低廉等优点，可用于电吸附材料、能源材料（包括双电层电容器、电池材料等）等领域。对无定形碳材料石墨化，可以提高无定形碳材料的导电性，进一步降低无定形碳材料的电阻，优化其孔结构，提高电容稳定性，从而扩大该类材料的应用范围。

由于高温石墨化方法导致碳材料高度晶格化，引起碳颗粒粒径尺度增大，使碳材料中的孔结构遭到严重破坏以及比表面积急剧下降，破坏了碳材料原有结构特性。低温石墨化则可以在最大程度上保留碳材料原有的结构特征，同时提高碳材料的导电性并可以优化其孔结构和表面性质。目前，关于无定形碳材料的低温石墨化方法主要是将过渡金属化合物作为催化剂，添加到无定形碳材料中，然后在惰性气保护下加热得到具有石墨结构的碳材料。公开号为US 2005/0008562 A1的美国专利报道了一种将高分子碳前驱体、过渡金属盐以及无机氧化物材料混合，然后对该混合物进行催化石墨化，最后除去样品中的无机氧化物和过渡金属盐，得到结晶性好、比表面积高的碳材料的方法，但是该方法制备条件和工艺过程复杂，应用范围较窄。我们先前也公开了一种关于无定形碳材料低温石墨化方法（专利公开号为CN 101723356A），在500～900℃和惰性气体保护下，将无定形碳材料分散在液态活泼金属中，转变为石墨化碳材料。但是该方法得到的碳材料的石墨化程度不高，均匀性不好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在金属盐与活泼金属协同作用下，使无定形碳材料发生石墨化的简便而有效的方法。

为了达到上述目的，本发明采用含有金属盐的无定形碳与熔融的活泼金属一起加热的方法，在较低温度条件下得到具有高石墨化度、材质均匀的石墨化碳材料。这种金属盐与活泼金属协同作用，使得无定形碳的石墨化效果显著增加，可以大大提高无定形碳的导电性、优化其孔结构和表面性质。根据专利检索和文献调研的结果，这种关于无定形碳的协同石墨化的方法未见报道。该方法的工艺过程简单，便于操作，石墨化温度低并可以在最大程度保留无定形碳材料结构特征的前提下，对其进行石墨化，从而可扩展无定形碳材料的应用范围。

本发明方法与我们之前申请的公开号为CN101723356A的专利所述方法相比（通过专利说明书所附的XRD图和激光拉曼光谱图进行比较），由本发明方法所得石墨化碳材料的石墨化程度显著提高；与公开号为US2005/0008562A1的专利所报道的方法相比（通过专利说明书所附的透射电子显微镜图片和激光拉曼光谱图进行比较），由本发明方法所得到的石墨化碳材料的材质更加均匀、石墨化效果也更为显著，能适用于更加广泛的无定形碳材料的石墨化。

本发明提供的无定形碳材料协同石墨化方法的步骤如下：

第一步，将无定形碳分散于金属盐溶液中，静置后过滤，然后在常压下，于120℃干燥，得到吸附了金属盐的无定形碳材料；

第二步，将第一步制备的吸附了金属盐的无定形碳材料和活泼金属一起置于带盖的惰性材质的坩埚中，将坩埚置于管式炉内，在惰性气体保护下，以1～50℃/min的速率升温至200～1200℃并保温1～72h，然后冷却至室温，取出产物，得到石墨化碳材料；

第三步，先用蒸馏水洗涤由第二步得到的产物，至洗液的pH值呈中性，然后用质量百分浓度为1～30%的无机酸溶液洗涤，除去石墨化碳材料中的金属或金属化合物，再用蒸馏水洗涤至洗液的pH值呈中性，置于烘箱中于120℃干燥，得到纯化的石墨化碳材料。

第一步所述的无定形碳材料可以是市售活性炭、由植物或动物骨经碳化处理得到的无定形碳、煤炭、中间相沥青碳或由其它高分子有机物经碳化处理得到的无定形碳粉体、无定形碳纤维、无定形碳气凝胶、无定形碳泡沫和无定形有序介孔碳中的一种。

第一步所述的金属盐溶液是：含有铁、钴、镍、锰、铜、锌、铬、钛、钒、钼和钨的金属盐溶液中的一种，其中无定形碳材料与金属盐的物质的量比为无定形碳材料：金属盐=1﹕（0.01～0.99）。金属盐溶液的浓度为0.1~5mol/L。

第二步所述的活泼金属可以是金属锂、金属钠和金属钾中的一种。

第二步所述的吸附了金属盐的无定形碳材料和活泼金属的质量比为金属盐的无定形碳材料:活泼金属=1﹕（0.1～5）。