一種低溫下使用催化劑使木粉石墨化的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于低溫催化石墨化領(lǐng)域，涉及一種使用高分子化學(xué)物與金屬或金屬化合物的混合物作為催化劑進行木粉催化石墨化的方法。本發(fā)明使用的催化劑為高分子化合物與金屬或金屬化合物的混合物，在惰性氣體保護下，使用該催化劑可在低溫400——1600℃之下將木粉進行石墨化。本發(fā)明涉及的催化石墨化方法工藝流程簡潔，操作簡單，且催化石墨化效果好，制備的石墨化材料石墨化度高，可達100％。
【專利說明】-種低溫下使用催化劑使木粉石墨化的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及低溫催化石墨化領(lǐng)域，具體的說是使用高分子化學(xué)物與金屬或金屬化 合物的混合物作為催化劑進行木粉催化石墨化的方法。

【背景技術(shù)】：
[0002] 石墨化是利用熱活化將熱力學(xué)不穩(wěn)定的炭原子實現(xiàn)由亂層結(jié)構(gòu)向石墨晶體結(jié)構(gòu) 的有序轉(zhuǎn)化，因此，在石墨化過程中，要使用高溫?zé)崽幚恚℉TT)對原子重排及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變提供 能量。為了使難石墨化炭材料的石墨化度得到提高，也為了達到有效降低轉(zhuǎn)化溫度的目的， 可以適當(dāng)?shù)氖褂靡恍┐呋瘎┻M行石墨化，稱為催化石墨化。催化石墨化的歷史由來已久，具 體可以追溯到19世紀(jì)末。在上個世紀(jì)的六七十年代，催化石墨化曾經(jīng)得到迅速的研究和發(fā) 展。
[0003] 石墨化的主要原料是有機物，這在當(dāng)今仍是非常重要的研究方向。生物質(zhì)作為植 物通過光合作用產(chǎn)生的有機物，在自然界廣泛存在，自然是石墨化的熱門研究方向之一。
[0004] 1997年，Nagle D C和Byme CE等第一次研究了郁金香書在炭化過程中密度、尺寸 收縮、殘?zhí)柯屎徒Y(jié)晶度隨溫度變化情況，并測定證實：2500°C下的炭化，材料組份仍以無定 性炭為主。隨溫度的增加，碳材料有序化程度增加。
[0005] 2001年，Kim等人在前任研究的基礎(chǔ)上，分別用藻類植物、亞麻等原料，將碳材料 在200(TC下石墨化。但是測定發(fā)現(xiàn)，炭化組份仍是無定型炭結(jié)構(gòu)。
[0006] 2003年，Uraki首次采用乙酸鎳為催化劑，實現(xiàn)了 1000°C條件下的樺樹木質(zhì)素炭 化，雖然得到的炭化組份不甚理想。隨后Hata課題組和Sevilla課題組分別使用了不同金 屬催化劑在低溫下實現(xiàn)了生物質(zhì)的低溫石墨化。
[0007] 在國內(nèi)，目前進行此類研究的主要為大連化物所和沈陽金屬所。目前進行的研究 方向為將吡咯加入生物質(zhì)中（纖維紙、棉花、木材等），用三氯化鐵作為催化劑實現(xiàn)生物質(zhì) 的低溫催化石墨化。
[0008] 上述研究案例很多，但是相對來講，熱處理溫度都要求較高，工藝十分繁復(fù)、復(fù)雜。 同時，石墨化結(jié)果也并不理想，石墨組分里摻雜了部分無定性炭，或者石墨化度無法滿足需 求。


【發(fā)明內(nèi)容】
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[0009] 本發(fā)明為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供了一種相對低溫下、使用高分子 化學(xué)物作為催化劑進行木粉催化石墨化的方法。
[0010] 本發(fā)明解決問題的方法采用如下技術(shù)方案：
[0011] 1.低溫下木粉催化石墨化的特點在于：使用高分子化合物（如聚甲基丙烯酸甲 酯、聚酰亞胺、聚氨酯等），加入金屬粉末（鐵、鈷、鎳、銅等）或者含有這些金屬的化合物 (如氧化物、氫氧化物、氯化物等）為催化劑，對木粉進行催化石墨化；所述木粉顆粒直徑應(yīng) 小于40 μ m〇
[0012] 2.本發(fā)明所述的催化劑所用高分子化合物與金屬粉末的質(zhì)量比為1 : 0.9-- 0.9 : 1，金屬化合物以其中所含金屬質(zhì)量計算。
[0013] 3.本發(fā)明所述的催化劑的添加量為木粉質(zhì)量的5%--15%，優(yōu)選10%。
[0014] 4.本發(fā)明所述的催化石墨化溫度為400-1600°C，優(yōu)選溫度為800-1200°C。
[0015] 5.本發(fā)明所述的催化石墨化在惰性氣體保護下進行。
[0016] 6.低溫下木粉催化石墨化的操作步驟如下：
[0017] (1)將上述方案1中所述催化劑加入木粉中混合均勻，得到預(yù)混料；
[0018] (2)在惰性氣體保護下，將步驟（1)得到的預(yù)混料升溫至石墨化溫度，并保持至少 2小時使其充分石墨化。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于：
[0020] 1.催化劑選擇范圍廣，高分子化合物容易得到，金屬或金屬化合物價格低廉；
[0021] 2.本發(fā)明涉及的催化石墨化方法工藝流程簡潔，操作簡單；
[0022] 3.本發(fā)明石墨化溫度較低，400_1600°C均可使木粉石墨化；其中優(yōu)選溫度為 800-1200。。；
[0023] 4.本發(fā)明所述的催化石墨化效果好，石墨化度可達100%。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0024] 圖1.木粉催化石墨化得到的石墨化材料的XRD圖。

【具體實施方式】：
[0025] 下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步的描述。
[0026] 實施例：對樺樹木粉催化石墨化的實驗
[0027] (1)制備預(yù)混料
[0028] 取高分子化合物聚甲基丙烯酸甲酯與金屬鐵以1 : 1的質(zhì)量混合均勻，得到催化 劑；
[0029] 原材取樺木，中國北方產(chǎn)，6年樹齡。將樺木粉碎，篩選直徑小于40 μ m的顆粒，按 照木粉：催化劑質(zhì)量比1 : 9的比例將其加入上述催化劑中混合均勻，得到預(yù)混料。
[0030] (2)升溫進行催化石墨化
[0031] 在惰性氣體氮氣的保護下，將步驟（1)制得的預(yù)混料以:TC /Min左右的速率升溫 至1200°C，石墨化開始；保持此溫度至少2個小時，保證材料完全石墨化，最終得到石墨化 材料。
[0032] (3)石墨化效果評價
[0033] 使用X射線衍射測試，如說明書附圖1，發(fā)現(xiàn)制備的石墨化材料衍射角2Θ為 26. 55°，相應(yīng)的晶面間距為0. 33554nm。
[0034] 理想石墨的衍射角2 Θ = 26. 55°，dQQ2 = 0· 3354nm，可見石墨化效果非常理想，石 墨化度達到了 100%。
【權(quán)利要求】
1. 一種低溫木粉催化石墨化的方法，其特征在于：使用高分子化合物與金屬粉末或者 含有相應(yīng)金屬的化合物為催化劑，可在較低溫度下對木粉進行催化石墨化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分子化合物，包括：聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亞胺、聚氨酯、 聚碳酸酯、聚硯、聚酰亞胺、聚芳醚、聚芳酰胺。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬粉末包括：鐵、鈷、鎳、銅；此類金屬的化合物包括：氧化 物、氫氧化物、氯化物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的木粉為木材粉碎、篩選所得，木粉顆粒直徑應(yīng)小于40 μ m。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑所用高分子化合物與金屬粉末的質(zhì)量比為 1 ： 0.9--0.9 : 1，金屬化合物以其中所含金屬質(zhì)量計算。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑的添加量為木粉質(zhì)量的5%--15%，優(yōu)選10%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化石墨化溫度為400-1600°C，優(yōu)選溫度為800-1200°C。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫催化石墨化操作包含以下步驟（1)和步驟（2): (1) 根據(jù)權(quán)利要求向5制備催化劑，按照權(quán)利要求項6的比例將催化劑與木粉混合均 勻，制得預(yù)混料； (2) 在惰性氣體保護下，將步驟⑴得到的預(yù)混料升溫至權(quán)利要求項7所述的石墨化溫 度，并保持至少2小時使其充分石墨化。
【文檔編號】C01B31/04GK104058391SQ201310104626
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2013年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月20日
【發(fā)明者】劉遵峰, 賈鳳美 申請人:常州碳宇納米科技有限公司, 江南石墨烯研究院