[发明专利]一种热解麦秸秆制备的纳米碳材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物质原料的利用及纳米碳材料的制备领域，特别涉及一种热解麦秸秆制备的纳米碳材料及其制备方法。

背景技术

富勒烯类纳米碳材料因其独特的结构和优良的物理化学性能被广泛应用到电极材料、电子器件、储能材料、药物载体和催化剂载体等领域。用于制备纳米碳材料的碳源种类繁多，从碳源的存在状态讲主要分为气态碳源、液态碳源和固态碳源。其中气态碳源是发展最早最成熟的，经常被利用的气态碳源主要有甲烷、乙炔、乙烯等气体，液态碳源主要有苯，甲苯，环己烷等，固态碳源是近几年刚刚发展起来的，主要包括沥青和煤，由于其原料易得，成本低廉且富含碳近年来得到国内部分院校的关注。这些碳源虽有各自的优势，但均为化石类非可再生资源，无法实现可持续发展。生物质资源其主要成分为半纤维素、纤维素和木质素，具有廉价、易得、环境友好、可再生等优势，是自然界取之不尽用之不竭的可再生资源，具有极大的经济开发价值。

近年来，生物质资源的利用受到了国内外研究者的广泛关注，并且以其为原料制备碳质材料己取得很大进展，国内多名专家人曾采用稻壳为原料，以低温水浴法硫酸为催化剂，合成了粒径在500nm左右的碳微球，但该法以浓硫酸为催化剂，分离成本较高，且存在污染。此外，水热法因自身局限性较适宜于实验室应用，而不适宜规模化生产。如何把廉价易得的生物质资源经过一个操作简单、低耗能的过程，转化为功能化、高附加值的纳米碳材料是一个值得研究的课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用生物质原料制备纳米碳材料的方法，该方法工艺简单，成本低廉，易于实现工业化生产，绿色无污染。具体技术方案如下：

本发明人经研究发现，利用生物质资源为原料制备纳米碳材料时多采用的是水热碳化法，该工艺过程是先将生物质原料水解，水解后的水解液进一步作为制备纳米碳材料的原料，这样因生物质水解率较低，导致原料的利用率较低且后续产物分离成本较高。大量研究表明生物质原料经过热解可以转化为秸秆煤气和生物柴油，秸秆煤气的主要成分为甲烷和一氧化碳，而甲烷和一氧化碳在催化剂的作用下通过化学气相沉积法可以裂解为纳米碳材料。

因此，本发明解决技术问题所采取的技术方案是利用两段管式气氛炉先在第一段炉中一定温度下将麦秸秆粉末热解，然后热解气经过第二段炉在催化剂催化下一定温度范围内裂解来制备纳米碳材料。

根据本发明，所述的生物质碳源为麦秸秆，麦秸秆可以是新的，也可以是存放的，麦秸秆的纯化可以通过现有的工艺先用盐酸浸泡，然后清洗烘干的步骤。

其中，第二段炉中选用的催化剂为镁系催化剂和镧系催化剂，催化剂的制备方法采用常用的溶胶凝胶法。催化剂与产物的分离可以采用常用的酸处理的方法。

较佳地，本发明的方案如下：

一种热解麦秸秆制备的纳米碳材料，其特征在于：

所述纳米碳材料由以下步骤制备，

1)先将麦秸杆经质量浓度为30～36％的稀盐酸浸泡后在烘箱里烘干，然后用粉碎机粉碎后通过50目筛过筛，过筛后的麦秸秆粉末备用；

2)催化剂的制备；

所述化合物化学表达式为AMLO；化学计量比称取含A、M和L的盐类化合物，含A的化合物为Mg(NO₃)₂·6H₂O或La(NO₃)₃·6H₂O，M是Ni，L是Fe或者Co或者Cu，O为氧元素。其中A和(M+L)的摩尔比为1∶1或2∶1，将其溶解到固液质量比1∶6的水中或乙醇中，然后再加入过量的络合剂，络合剂为柠檬酸，然后在50～200℃下将上述溶液加热蒸发，最后发生自燃生成黑色粉末状物质，然后将其在400～1000℃于空气气氛中煅烧1～4h，将煅烧后的黑色颗粒进行研磨即得所需催化剂；

3)选用双温区管式反应炉，第一段炉中在小瓷舟内放入1～5g步骤1)所得麦秸秆粉术原料，第二段炉中放入0.1～1g步骤2)所得的催化剂，第一段炉炉温设定为450～750℃，第二段炉设定为450～750℃，先向系统中通入100～300ml min^-1的N₂，使第一、第二段炉在氮气气氛中同时升至相应的温度，N2不停止通入的条件下，然后向系统中同时通入50～100mlmin^-1的H₂40～60分钟，之后两段炉均保温0.5～2h，然后关掉电源使系统在N₂气氛中使反应系统缓慢冷却后即得纳米碳材料。