一种由木质纤维素制备碳微球的方法
【专利摘要】本发明提供了一种由木质纤维素制备碳微球的方法，该方法以木质纤维素为碳源，在高温水环境中生成碳微球。本发明制备的微球分散性好，碳微球直径约为50-1000nm。本发明以可再生的木质纤维素为碳源，原料来源广泛；水热反应强度低、工艺简单，无需添加化学试剂，环境友好；制备的碳微球尺寸可控、分散性好，并且反应条件温和，操作简单，可与多种生物炼制工艺耦合。
【专利说明】一种由木质纤维素制备碳微球的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米碳材料制备【技术领域】，具体涉及一种由木质纤维素制备碳微球的方法。
【背景技术】
[0002]碳微球具有密度低、本征阻尼性能好、热稳定性和化学稳定性高、比表面积可控和生物相容性好等优点，是近年来碳材料研究热点之一。碳微球在轻质结构材料、金属基阻尼材料、催化剂载体、锂离子电池负极材料、超级电容器材料和燃料电池等领域具有广阔的应用前景。
[0003]目前合成碳微球的方法有多种，如电弧放电法、化学气相沉积法以及水热法等。水热法以其原料来源广泛、工艺简单、成本低廉、绿色环保等优势，逐步成为制备碳微球的优选途径。多种糖类物质，如葡萄糖、木糖、蔗糖等，都可以作为碳源，在高温高压的环境下，通过脱水、聚合等反应，生成碳微球。目前制备碳微球所需的反应温度一般要达到200°C以上，反应时间要维持数小时，反应强度过高是目前制备碳微球面临的主要问题。
[0004]木质纤维素类生物质主要是由碳、氢、氧三种元素组成，其中碳元素含量达到了50%，是制备碳材料的理想原料。有研究发现玉米芯通过浓硫酸水解，可以得到以木糖为主的五碳糖和以葡萄糖为主的六碳糖，两种糖均可通过水热法制备碳微球，这就证明了木质纤维素类生物质制备碳微球路线的可行性，将是未来的发展方向。但是，浓硫酸处理木质纤维素会带来一系列问题，如硫酸的引入会产生大量的酸性废水，处理酸性废水会大大增加生产成本，增加系统工艺的复杂性等。
【发明内容】
[0005]本发明所解决的技术问题是提供一种木质纤维素制备碳微球的方法，该方法以木质纤维素为原料，利用水热法制备碳微球。
[0006]为实现上述目的，本发明提供了一种由木质纤维素制备碳微球的方法，以木质纤维素为碳源，经过水热反应后，离心分离，收集得到直径为50-1000nm的碳微球，其中，水热反应条件为:温度为120-200°C，时间为1-200分钟。
[0007]具体的，本发明提供的以木质纤维素制备碳微球的方法，包括以下步骤:
[0008]I)将木质纤维素粉碎至1-1Omm大小，与水混合,反应时间为I~200min,固液比为1:5-1:50 ;所述水为自来水或去离子水；
[0009]优选的，所述木质纤维素包括玉米秸杆、小麦秸杆、水稻杆、高粱杆、杨木和松木中的一种或多种。
[0010]2)将木质纤维素和水的混合物加入到可搅拌高温水反应器中，反应器温度控制在120-200 0C，反应结束后冷却至室温。冷却到室温的方式包括冷凝水冷却或自然冷却。
[0011]优选的，反应时搅拌速度为O~200RPM。
[0012]步骤3:将步骤2得到的反应产物进行固液分离，液相部分离心收集，得到的固体经去离子水洗涤，得到分散性好的碳微球。
[0013]本发明得到的碳微球分散性好，尺寸可控，碳微球的直径在50_1000nm。
[0014]本发明所述一种木质纤维素制备碳微球的方法具有以下优点:以可再生的木质纤维素为碳源，原料来源广泛；水热反应强度低、工艺简单，无需添加化学试剂，环境友好；制备的碳微球尺寸可控、分散性好。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1、实施例1制备的碳微球的扫描电镜(SEM)照片。
[0016]图2、实施例3制备的碳微球的扫描电镜(SEM)照片。
【具体实施方式】
[0017]以下为本发明的一些优选实施例，其仅用作对本申请的解释而不是限制。
[0018]实施例1:
[0019]步骤1:将玉米秸杆粉碎至I厘米大小，与自来水混合，固液比为1:10。
[0020]步骤2:将玉米秸杆和水的混合物加入到可搅拌高温水反应器中，反应器温度控制在1600C，反应时间为20分钟，搅拌速度为100转/分，反应结束后，冷凝水冷却或自然冷
却至室温。
[0021]步骤3:将步骤2得到的反应产物经过滤布进行固液分离，液相部分离心收集(7000rpmX10min)，然后经过去离子水洗涤，得到分散性好的碳微球，其SEM图片如图1所示，其平均粒径约为200nm。
[0022]实施例2:
[0023]步骤1:将小麦秸杆粉碎至0.1厘米大小，与去离子水混合，固液比为1:20。
[0024]步骤2:将小麦秸杆和水的混合物加入到可搅拌高温水反应器中，反应器温度控制在190°C，反应时间为5分钟，搅拌速度为100转/分，反应结束后，冷凝水冷却或自然冷
却至室温。
[0025]步骤3:将步骤2得到的反应产物经过滤布进行固液分离，液相部分离心收集(7000rpmX IOmin),然后经过去离子水洗涤，得到分散性好的碳微球，其平均粒径约为600nmo
[0026]实施例3:
[0027]步骤1:将杨木粉碎至0.1厘米大小，与自来水混合，固液比为1:20。
[0028]步骤2:将杨木和水的混合物加入到可搅拌高温水反应器中，反应器温度控制在1800C，反应时间为30分钟，搅拌速度为80转/分，反应结束后，冷凝水冷却或自然冷却至室温。
[0029]步骤3:将步骤2得到的反应产物经过滤布进行固液分离，液相部分离心收集，然后经过去离子水洗涤，得到分散性好的碳微球，其SEM图片如图2所示，其平均粒径为800nmo
[0030]实施例4:
[0031]步骤1:将松木粉碎至I厘米大小，与去离子水混合，固液比为1:10。
[0032]步骤2:将松木和水的混合物加入到可搅拌高温水反应器中，反应器温度控制在140°C，反应时间为80分钟，搅拌速度为150转/分，反应结束后，冷凝水冷却或自然冷却至室温。
[0033]步骤3:将步骤2得到的反应产物经过滤布进行固液分离，液相部分离心收集，然后经过去离子水洗涤，得到分散性好的碳微球，其平均粒径为200nm。
[0034]实施例5:
[0035]步骤1:将水稻杆粉碎至0.6厘米大小，与自来水或去离子水混合，固液比为1:15。
[0036]步骤2:将水稻杆和水的混合物加入到可搅拌高温水反应器中，反应器温度控制在170°C，反应时间为130分钟，搅拌速度为100转/分，反应结束后，冷凝水冷却或自然冷
却至室温。
[0037]步骤3:将步骤2得到的反应产物经过滤布进行固液分离，液相部分离心收集，然后经过去离子水洗涤， 得到分散性好的碳微球，其平均粒径约为600nm。
【权利要求】
1.一种由木质纤维素制备微球的方法，包括以下步骤: 1)将木质纤维素粉碎至1-1Omm,与水混合； 2)将木质纤维素和水的混合物加入高温水反应器中反应，反应器温度控制在120-200°C，反应I~200min，反应结束后冷却至室温； 3)将步骤2)得到的反应产物进行固液分离，得到的液相部分再进行离心，收集其中的固体，然后经去离子水洗涤，得到分散性好的碳微球。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述木质纤维素包括玉米秸杆、小麦秸杆、水稻杆、高粱杆、杨木和松木中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水为去离子水或自来水。
4.根据权利要求 1所述的方法，其特征在于，所述木质纤维素和水的固液比为1:5~I:50o
【文档编号】C01B31/02GK103588190SQ201310533227
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年10月31日
【发明者】邢建民, 杨茂华, 刘谊兰, 王彩霞, 闫道江 申请人:中国科学院过程工程研究所