一種無定形碳材料低溫石墨化方法
2023-09-19 12:17:50 1
專利名稱：一種無定形碳材料低溫石墨化方法
技術領域：
—種無定形碳材料低溫石墨化方法，涉及一種商品活性炭、中間相瀝青基碳或有
機高分子經炭化得到的無定形碳材料在低溫下轉變為石墨形態的方法，屬於碳材料技術領 域。
背景技術：
目前，所說的石墨化方法是將無定形碳材料在220(TC以上高溫熱處理，使得無定 形碳材料發生相態轉變，形成石墨結構的碳材料。但是，高溫石墨化引起材料的粒徑尺度增 大、孔結構遭到破壞以及碳合金中的組分偏離，導致了碳材料的特性發生變化，從而限制了 碳材料的應用範圍。隨著人們對高性能鋰離子電池、探測器材料以及儲氫材料開展的深入 地研究，對石墨電極材料、碳合金材料以及納米碳儲氫材料的結構性能提出了更高的要求， 而現行的石墨化方法無法滿足新型碳材料的結構和性能要求。如果能夠降低碳材料的石墨 化溫度，則可以在保留碳材料原有粒徑、孔結構以及組分等結構特性的基礎上，實現碳材料 的石墨化，從而拓展了現有碳材料的應用領域。根據當前的文獻檢索和專利檢索結果，還沒 有相關的研究結果和專利申報結果的報導。
發明內容
本發明的目的在於公開一種無定形碳材料低溫石墨化方法，該方法極大地降低了 石墨化溫度，通過這種低溫石墨化方法可以將無定形納米碳、無定形碳纖維、無定形碳納米 管、無定形碳氣凝膠以及無定形碳泡沫材料，在低溫條件下轉變為具有石墨相的碳材料並 可保留碳材料原有的結構特徵。 為了達到上述目的，本發明採用液態活潑金屬作為催化劑和介質，利用活潑金屬 的高反應活性和電子傳導性，降低了無定形碳向石墨相發生轉變的勢壘，因此可以大大降 低石墨化溫度。具體做法是將一定比例的無定形碳材料和活潑金屬置於惰性材質坩堝中， 在惰性氣體保護下，以一定的升溫速率升至一定溫度，經過恆溫再降至室溫，洗去剩餘的活 潑金屬，經過烘乾得到具有石墨相的碳材料。本發明所表述的無定形碳材料包括市售活性 炭、中間相瀝青碳或高分子化合物經碳化得到的無定形碳、無定形碳纖維、無定形碳納米 管、無定形碳氣凝膠和無定形碳泡沫等。 本發明所說的活潑金屬包括金屬鋰、金屬鈉、金屬鉀和金屬銫。 所說惰性材質坩堝是指不會與活潑金屬發生化學反應的材料製成的坩堝，包括氧 化鋁坩堝、氮化矽坩堝、氮化鋁坩堝、氮化硼坩堝和碳化矽坩堝等；惰性保護氣體是氬氣或 氮氣。 本發明的無定形碳材料低溫石墨化方法是先按無定形碳活潑金屬=20 70 : 80 30重量百分比稱取，置於帶蓋的惰性材質的坩堝中，將坩堝置於管式電爐中，在 氬氣或氮氣等惰性氣體保護下，以1 50°C /min的速率升溫至500-90(TC並保溫1 72h， 然後冷卻至室溫，取出產物用水清洗至洗液的pH值為7，在12(TC下烘乾，得到石墨化形態的碳材料。
本發明具有如下的優點和效果 1.以液態活潑金屬作為催化劑和介質，降低了無定形碳向石墨相發生轉變的勢 壘，可以大大降低無定形碳材料的石墨化溫度。 2.採用本發明的低溫石墨化方法，避免了目前高的石墨化溫度給原有無定形碳材 料的粒徑尺度和孔結構帶來的破壞，拓展了碳材料的應用範圍。
圖1為按本發明的方法將商品級活性碳於80(TC石墨化處理後，所得樣品的X-射 線粉末衍射譜圖a譜線顯示出石墨特徵相的；不按本發明方法將商品級活性碳僅在800°C 熱處裡後，所得樣品的X-射線粉末衍射譜圖b沒有顯示出石墨相形成。
圖2為按本發明的方法將商品級活性碳於80(TC石墨化處理後，所得樣品的拉曼 譜圖a譜線顯現出石墨結構特徵；不按本發明方法將商品級活性碳僅在80(TC熱處裡後的 拉曼圖譜b譜線顯現出典型的無定形碳結構特徵。
具體實施方法
實施例1 按市售無定形活性碳金屬鈉=30 : 70重量百分比稱取，將二者置於帶蓋的
氧化鋁坩堝中，將坩堝置於管式電爐中，在管式爐中通入氬氣，以l(TC /min的速率升溫至 80(TC並在此溫度下保溫24h，然後冷卻至室溫，取出產物並用蒸餾水清洗，直至洗液的pH 值為7，再在12(TC條件下烘乾，得到石墨化形態的碳材料。對樣品分別進行X-射線粉末 衍射和雷射拉曼光譜分析。根據x-射線粉末衍射圖譜，採用本發明方法，無定形活性碳在
80(TC發生石墨化，所得樣品的X-射線粉末衍射譜圖如附圖1中a所示，衍射角在26. 5°左 右譜線明顯銳化表明石墨相的形成。不採用本發明方法，僅使無定形活性碳在管式爐中通 入氬氣，以l(TC /min的速率升溫至80(TC並在此溫度下保溫24h，然後冷卻至室溫，取出產 物用蒸餾水清洗，直至洗液的PH值為7，再在12(TC條件下烘乾。所得樣品的X-射線粉末衍 射譜圖如附圖1中b所示，仍然呈現出無定形碳的特徵。雷射拉曼光譜分析表明，採用本發 明方法，所得樣品的雷射拉曼圖譜，如附圖2中a所示，是石墨的特徵圖譜，而不採用本發明 方法，僅使無定形活性碳在管式爐中通入氬氣，以10°C /min的速率升溫至80(TC並在此溫 度下保溫24h，然後冷卻至室溫，取出產物用蒸餾水清洗，直至洗液的pH值為7，再在120°C 條件下烘乾，所得樣品的雷射拉曼圖譜如附圖2中b所示，呈現無定形碳的特徵。
實施例2 按市售無定形活性碳金屬鈉=60 : 40重量百分比稱取，將二者置於帶蓋的
氧化鋁坩堝中，將坩堝置於管式電爐中，在管式爐中通入氬氣，以20°C /min的速率升溫至 70(TC並在此溫度下保溫48h，然後冷卻至室溫，取出產物用蒸餾水清洗，直至洗液的pH值 為7，再在12(TC條件下烘乾，得到石墨化形態的碳材料。所得樣品的X-射線粉末衍射譜圖 具有如附圖1中a所示的同樣特徵，所得樣品的雷射拉曼圖譜具有如附圖2中a的同樣特 徵。 實施例3 先將酚醛樹脂先於80(TC條件下在氬氣氣氛中碳化處理，得到無定形碳，再按無定形碳金屬鈉=50 : 50重量百分比稱取，將二者置於帶蓋的氧化鋁坩堝中，將坩堝置於管
式電爐中，在管式爐中通入氬氣，以10°C /min的速率升直至洗液的pH值為7，再在12(TC條 件下烘乾，得到石墨化形態的碳材料。所得樣品的X-射線粉末衍射譜圖具有如附圖1中a 所示的同樣特徵，所得樣品的雷射拉曼圖譜具有如附圖2中a的同樣特徵。
實施例4 先將中間相瀝青炭化先於80(TC條件下在氬氣氣氛中炭化處理，得到無定形碳，再
按無定形碳金屬鈉=50 : 50重量百分比稱取，將二者置於帶蓋的氧化鋁坩堝中，將坩堝
置於管式電爐中，在管式爐中通入氬氣，以l(TC /min的速率升溫至80(TC並在此溫度下保 溫24h，然後冷卻至室溫，取出產物用蒸餾水清洗，直至洗液的pH值為7，再在12(TC條件下 烘乾，得到石墨化形態的碳材料。所得樣品的X-射線粉末衍射譜圖具有如附圖1中a所示 的同樣特徵，所得樣品的雷射拉曼圖譜具有如附圖2中a的同樣特徵。
實施例5 按市售無定形活性碳金屬鋰=70 : 30重量百分比稱取，將二者置於帶蓋的 氧化鋁坩堝中，將坩堝置於管式電爐中，在管式爐中通入氬氣，以20°C /min的速率升溫至 70(TC並在此溫度下保溫24h，然後冷卻至室溫，取出產物用蒸餾水清洗，直至洗液的pH值 為7，再在12(TC條件下烘乾，得到石墨化形態的碳材料。所得樣品的X-射線粉末衍射譜圖 具有如附圖1中a所示的同樣特徵，所得樣品的雷射拉曼圖譜具有如附圖2中a的同樣特 徵。 實施例6 按市售無定形活性碳金屬鋰=70 : 30重量百分比稱取，將二者置於帶蓋的 氧化鋁坩堝中，將坩堝置於管式電爐中，在管式爐中通入氬氣，以20°C /min的速率升溫至 80(TC材料，並在此溫度下保溫24h，然後冷卻至室溫，取出產物用蒸餾水清洗，直至洗液的 pH值為7，再在12(TC條件下烘乾，得到石墨化形態的碳材料。所得樣品的X-射線粉末衍 射譜圖具有如附圖1中的a所示的同樣特徵，所得樣品的雷射拉曼圖譜具有如附圖2中的 a的同樣特徵。
實施例7 以酚醛樹脂為原料，通過溶膠_凝膠法製得塊狀凝膠，經溶劑替換、常溫乾燥並於 80(TC碳化處理，得到塊狀無定形碳氣凝膠。按塊狀無定形碳氣凝膠金屬鈉=70 : 30重 量百分比稱取，將二者置於帶蓋的氧化鋁坩堝中，將坩堝置於管式電爐中，在管式爐中通入 氬氣，以20°C /min的速率升溫至80(TC材料，並在此溫度下保溫24h，然後冷卻至室溫，取出 產物用蒸餾水清洗，直至洗液的pH值為7，再在12(TC條件下烘乾，得到石墨化形態的碳材 料。所得樣品的X-射線粉末衍射譜圖具有如附圖1中的a所示的同樣特徵，所得樣品的激 光拉曼圖譜具有如附圖2中的a的同樣特徵。
權利要求
一種無定形碳材料低溫石墨化方法，其特徵在於先按無定形碳∶活潑金屬＝20～70∶80～30重量百分比稱取，置於惰性材質的坩堝中，然後將坩堝置於管式爐中，在氬氣或氮氣等惰性氣體保護下，以1～50℃/min的速率升溫至500-900℃並保溫1～72h，再冷卻至室溫，取出產物用水清洗至洗液的pH值為7，最後在120℃下烘乾，得到石墨化形態的碳材料。
2. 根據權利要求1所述的一種無定形碳材料低溫石墨化方法，其特徵在於無定形碳 選自市售活性炭、中間相瀝青碳或由其它高分子化合物經碳化得到的無定形碳、無定形碳 纖維、無定形碳納米管、無定形碳氣凝膠和無定形碳泡沫中的一種。
3. 根據權利要求1所述的一種無定形碳材料低溫石墨化方法，其特徵在於活潑金屬 選自金屬鋰、金屬鈉、金屬鉀或金屬銫。
4. 根據權利要求1所述的一種無定形碳材料低溫石墨化方法，其特徵在於惰性材質 坩堝是指與活潑金屬不發生化學反應的材料製成的坩堝，選自氧化鋁坩堝、氮化矽坩堝、氮 化鋁坩堝、氮化硼坩堝或碳化矽坩堝。
全文摘要
一種無定形碳材料低溫石墨化方法，涉及一種將商品活性炭、中間相瀝青基碳和有機高分子經炭化得到的無定形碳材料在低溫下轉變為石墨形態碳的方法。在500～900℃和惰性氣體保護條件下，將無定形碳材料分散在液態活潑金屬中，可轉變為石墨化形態的碳材料。本發明可以將無定形碳材料的石墨化溫度從目前的2200℃以上，降低到500～900℃。通過這種低溫石墨化方法可以將無定形碳粉體、無定形碳纖維、碳納米管、無定形碳氣凝膠和碳泡沫等，在低溫條件下轉變為石墨化的碳粉體、石墨化纖維、石墨化碳納米管、石墨化碳氣凝膠以及石墨化碳泡沫材料，在傳感器、電極材料、儲氫材料以及碳合金材料等領域具有廣泛的應用前景。
文檔編號C01B31/04GK101723356SQ200910201049
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月14日 優先權日2009年12月14日
發明者吉濤, 夏炳忠, 徐子頡, 王瑋衍, 逯愛慧, 馬超 申請人:同濟大學