蜂窩狀多孔碳材料的製備方法與流程
2023-10-30 20:55:54
本發明涉及碳材料的製備技術領域，具體涉及一種蜂窩狀多孔碳材料的製備方法。
背景技術：
多孔碳材料在能源器件、氣體吸附和催化載體等領域都具有十分廣泛的應用，因此，高效、低成本的合成出規則的多孔碳材料具有十分重要的意義。目前合成規則多孔碳材料的方法主要有模板法、層層自組裝等方法。這些方法雖然可以合成出規則的、孔徑大小/形狀可控的多孔碳電極材料，但是其較多的合成製備步驟(模板法)，或繁瑣的多次操作(層層自組裝法)都使得在合成多孔碳電極材料的過程中產生較高的時間和金錢成本。
技術實現要素：
本發明克服了現有技術的不足，提供一種可高效、低成本的製備規整孔徑的多孔碳電極材料的方法。
考慮到現有技術的上述問題，根據本發明公開的一個方面，本發明採用以下技術方案：
一種蜂窩狀多孔碳材料的製備方法，包括以下步驟：
步驟一、採用軟木作為原料，並將其切成片層；
步驟二、將所述片層在惰性氣體下焙燒；
步驟三、將焙燒後的產物先後通過蒸餾水、乙醇清洗，清洗以後再烘乾，得到蜂窩狀多孔碳材料。
為了更好地實現本發明，進一步的技術方案是：
根據本發明的另一個實施方案，所述軟木為天然軟木或人工後期加工軟木。
根據本發明的另一個實施方案，所述軟木的片層的厚度為0.1-1毫米。
根據本發明的另一個實施方案，所述軟木在切成片層並將碎屑清洗後再進行焙燒。
根據本發明的另一個實施方案，所述步驟二是在900-1500攝氏度恆溫焙燒0.8-1.2小時。
根據本發明的另一個實施方案，所述步驟三中烘乾溫度為78-82攝氏度。
根據本發明的另一個實施方案，通過步驟三得到的蜂窩狀多孔碳材料經過形貌和結構表徵以後待用。
本發明還可以是：
根據本發明的另一個實施方案，所述步驟一中將軟木切成不同厚度的片層。
與現有技術相比，本發明的有益效果之一是：
本發明的一種蜂窩狀多孔碳材料的製備方法，具有：
1)可以保證得到的碳材料具有較高孔徑均勻度和規整度。本合成方法只需要一步高溫焙燒，即可得到規則蜂窩狀多孔結構的碳材料，而其他合成方法通常需要多步才能實現；以聚苯乙烯小球模板法為例，首先通常需要將犧牲體聚苯乙烯小球和基體材料在液相中混合均勻，然後通過一定的組裝手段形成兩種前體的交替結構，再通過溶解聚苯乙烯小球形成多孔碳材料。在這種多步操作過程中，較難實現大面積多孔碳材料製備時的孔徑均勻度和規整度；而本發明所採用的方法，不僅可以快速合成出蜂窩狀多孔結構的碳材料，並且其孔徑均勻度和規整度完全由軟木結構所決定和固定，不隨合成方法和過程的影響，因此碳材料的孔徑均勻度和規整度可以得到較好的保證。
2)本發明可實現蜂窩狀多孔碳材料的低成本大量製備。由於本方法採用軟木作為原料，以其天然的蜂窩狀多孔結構作為硬模板，通過高溫焙燒製備得到蜂窩狀多孔碳材料；因此，該蜂窩狀多孔碳材料的成本、產量僅僅決定於軟木的成本和產量。而軟木主要是橡樹樹皮，其產量豐富且本身成本較低；並且其製備的產量主要決定於高溫爐的大小，因此從技術上來說，用該方法實現蜂窩狀多孔碳材料的低成本大量製備沒有問題；而採用其他的模板法如軟模板或層層自組裝法等方法，其原料成本和時間成本都是非常大的問題。
3)蜂窩狀碳材料的孔形狀可以在一定範圍內實現有效控制。在實現較高孔徑均勻度和規整度，以及可大量製備的基礎上，採用本合成方法還可以實現蜂窩狀碳材料的孔形狀在一定範圍內的有效調節。根據軟木的產地和品種不同，其蜂窩狀孔的形狀可以主要是正方形，也可以是五邊形、六邊形或七邊形。因此我們可以通過篩選軟木原料的產地和品種，得到具有不同孔形狀的蜂窩狀碳材料。
4)通過本發明得到的蜂窩狀碳材料的孔壁上有較多褶皺，可適用於對表面積需求較高的材料領域。由於本發明方法是通過高溫焙燒除去軟木中的非碳組分，這些被除去的部分將在產物相應位置中留下缺失的空間，導致所得到的蜂窩狀碳材料的孔壁上有較多褶皺，這就直接增加了該部分的比表面積。而模板法和層層自組裝的方法比較難實現這一點。
附圖說明
為了更清楚的說明本申請文件實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術的描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅是對本申請文件中一些實施例的參考，對於本領域技術人員來講，在不付出創造性勞動的情況下，還可以根據這些附圖得到其它的附圖。
圖1為高溫焙燒天然軟木得到的蜂窩狀碳材料的掃描電鏡示意圖。
圖2為高溫焙燒人工後期加工軟木得到的蜂窩狀碳材料的掃描電鏡示意圖。
圖3為根據本發明一個實施例焙燒後軟木的放大掃描電鏡示意圖。
圖4和圖5為具有不同孔形狀的蜂窩狀碳材料的掃描電鏡示意圖。
圖6為蜂窩狀碳材料在空氣氛圍中的熱失重示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限於此。
一種蜂窩狀多孔碳材料的製備方法，包括以下步驟：
步驟一、採用軟木作為原料，其軟木可以為天然軟木或人工後期加工軟木，由於軟木原料的結構直接決定了碳片層產物的結構，因此選取不同結構的軟木原料可以得到不同結構的碳片層產物。天然軟木的結構，孔洞取向和規整度更好；而人工後期加工的軟木，則是有尺寸大約在幾十微米至幾百微米的天然軟木顆粒壓制而成，因此其孔洞沒有固定取向；並且由於其顆粒之間具有較多縫隙，會影響其產物的力學、電學和熱導等性能；但是另一方面，相比較天然的軟木，人工後期加工軟木中的這些縫隙也可以促進液體的浸潤，使得其在應用到電解液體系中的電極材料領域具有更好的優勢。然後將其切成不同厚度的片層，其片層的厚度在0.1-1毫米範圍內，根據後期使用需求的不同，可利用機械切片等方式進行切片，切片後簡單清洗掉碎屑以待用。
步驟二、將切好的軟木片平攤到高溫爐裡，在惰性氣體下焙燒，焙燒在900-1500攝氏度恆溫條件下進行，焙燒時間為0.8-1.2小時；焙燒完成後其厚度可能有些許增加，應該是熱處理以後結構單元微量膨脹的結果。
步驟三、將焙燒後的產物通過蒸餾水或乙醇清洗，清洗以後再烘乾，烘乾溫度為78-82攝氏度，得到蜂窩狀多孔碳材料，再經過形貌和結構表徵以後待用。
本發明通過利用天然軟木中本身具有的規則蜂窩狀結構，將其高溫焙燒除去非碳組分，從而得到具有規則蜂窩狀結構的碳材料，下面以具體的示例進一步詳細說明：
實施例1：選取天然軟木作為原料，將其切成厚度為0.5毫米的薄片，長、寬分別為1釐米，簡單清洗掉碎屑以後待用；將切好的軟木片平攤到高溫爐裡，在惰性氣體氬氣保護下，以10攝氏度每分鐘開始升溫，最終在900攝氏度恆溫焙燒一小時。焙燒完成後將產物通過蒸餾水和乙醇洗滌，在80攝氏度下烘乾，焙燒後其厚度增加到0.6毫米。對該產物進行形貌和結構組分測試，顯示其成分為碳，其蜂窩狀碳材料內部無縫隙，結構單元為五/六/七邊形孔洞，孔洞取向較為一致。
實施例2：選取天然軟木作為原料，將其切成厚度為0.5毫米的薄片，長、寬分別為1釐米，簡單清洗掉碎屑以後待用；將切好的軟木片平攤到高溫爐裡，在惰性氣體氬氣保護下，以10攝氏度每分鐘開始升溫，最終在1500攝氏度恆溫焙燒一小時。焙燒完成後將產物通過蒸餾水和乙醇洗滌，在80攝氏度下烘乾，焙燒後其厚度增加到0.6毫米。對該產物進行形貌和結構組分測試，顯示其成分為碳，其蜂窩狀碳材料產生少量縫隙，主要是因為1500攝氏度高溫下少量碳也隨著其他組分一起揮發，導致蜂窩狀結構中產生了少量縫隙，該蜂窩狀碳材料的基本結構單元為五/六/七邊形孔洞，孔洞取向較為一致。
實施例3：選取人工後期合成的天然軟木作為原料，將其切成厚度為0.5毫米的薄片，長、寬分別為1釐米，簡單清洗掉碎屑以後待用；將切好的軟木片平攤到高溫爐裡，在惰性氣體氬氣保護下，以10攝氏度每分鐘開始升溫，最終在1500攝氏度恆溫焙燒一小時。焙燒完成後將產物通過蒸餾水和乙醇洗滌，在80攝氏度下烘乾，焙燒後其厚度增加到0.55毫米。對該產物進行形貌和結構組分測試，顯示其成分為碳，其蜂窩狀碳材料內部存在大量縫隙，主要是因為人工後期加工的軟木，是由基本單元尺寸為幾十微米到幾百微米範圍的天然軟木顆粒壓制而成。因此產物也是由眾多顆粒組成，顆粒之間存在大量縫隙，各顆粒上的基本結構單元為五/六/七邊形孔洞，孔洞沒有固定取向。
實施例4：選取基本結構單元為方形孔洞的進口天然軟木作為原料，將其切成厚度為0.3毫米的薄片，長、寬分別為1釐米，簡單清洗掉碎屑以後待用；將切好的軟木片平攤到高溫爐裡，在惰性氣體氬氣保護下，以10攝氏度每分鐘開始升溫，最終在1500攝氏度恆溫焙燒一小時。焙燒完成後將產物通過蒸餾水和乙醇洗滌，在80攝氏度下烘乾，焙燒後其厚度增加到0.35毫米。對該產物進行形貌和結構組分測試，顯示其成分為碳，其蜂窩狀碳材料產生少量縫隙，主要是因為1500攝氏度高溫下少量碳也隨著其他組分一起揮發，導致蜂窩狀結構中產生了少量縫隙，該蜂窩狀碳材料的基本結構單元為方形孔洞，孔洞取向較為一致。
如圖1所示，圖1為高溫焙燒天然軟木得到的蜂窩狀碳材料的掃描電鏡示意圖，其孔徑均勻度和規整度都較高。
如圖2所示，圖2為高溫焙燒人工後期加工軟木得到的蜂窩狀碳材料的掃描電鏡示意圖，比較圖1和圖2，其中天然軟木焙燒得到的多孔碳材料較為完整，無縫隙存在，孔洞方向取向較為一致；而人工後期加工軟木焙燒得到多孔碳材料有大量縫隙存在，其基本單元是尺寸大約在幾十微米到幾百微米範圍的天然軟木顆粒，從圖中可以看到其孔洞方向沒有固定取向。
如圖3所示，圖3為根據本發明一個實施例焙燒後軟木的放大掃描電鏡示意圖，所得到的蜂窩狀碳材料的孔壁上有較多褶皺，可有效增加該蜂窩狀碳材料的比表面積。
如圖4所示，圖4為根據本發明一個實施例的具有不同孔形狀的蜂窩狀碳材料的掃描電鏡示意圖，其孔形狀主要是五邊形、六邊形或七邊形的多孔碳材料。
如圖5所示，圖5為根據本發明另一個實施例的具有不同孔形狀的蜂窩狀碳材料的掃描電鏡示意圖，孔形狀主要是方形的多孔碳材料。對於圖4和圖5所示多孔碳材料的孔形狀主要是通過採用不同品種的軟木來實現。
如圖6所示，圖6為蜂窩狀碳材料在空氣氛圍中的熱失重示意圖，可以看到由軟木製備得到的蜂窩狀碳材料在空氣中到達近500攝氏度時已經完全失重，說明該蜂窩狀碳材料主要成分應該是碳。
本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其它實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分相互參見即可。
在本說明書中所談到的「一個實施例」、「另一個實施例」、「實施例」、等，指的是結合該實施例描述的具體特徵、結構或者特點包括在本申請概括性描述的至少一個實施例中。在說明書中多個地方出現同種表述不是一定指的是同一個實施例。進一步來說，結合任一實施例描述一個具體特徵、結構或者特點時，所要主張的是結合其他實施例來實現這種特徵、結構或者特點也落在本發明的範圍內。
儘管這裡參照本發明的多個解釋性實施例對本發明進行了描述，但是，應該理解，本領域技術人員可以設計出很多其他的修改和實施方式，這些修改和實施方式將落在本申請公開的原則範圍和精神之內。更具體地說，在本申請公開和權利要求的範圍內，可以對主題組合布局的組成部件和/或布局進行多種變型和改進。除了對組成部件和/或布局進行的變型和改進外，對於本領域技術人員來說，其他的用途也將是明顯的。