[发明专利]一种生物质经两步微波处理制超长多壁碳纳米管的方法

说明书

本发明公开了一种生物质经两步微波处理制超长多壁碳纳米管的方法，该方法包含以下步骤：(1)通过化学预处理方法从生物质中分离纤维素样品；(2)低温微波热解纤维素样品生成含有碳纳米管的生物炭样品；(3)高温微波热解生物炭样品制备超长多壁碳纳米管。本发明不需要使用薄金属(Ni、Mo、Fe、Co等)衬底，用生物质替代各种碳氢化合物(乙烷、甲烷、乙炔、二甲苯或它们的混合物等)，仅采用微波加热，制备出石墨烯晶体含量高，约0.97，长度≥1cm，直径200nm～400nm的超长多壁碳纳米管。本方法解决了现有技术制备超长多壁碳纳米管工艺复杂、成本高、碳纳米管短且缺陷多等问题。

技术领域

本发明利用微波将生物质直接转化为超长多壁碳纳米管，涉及生物质资源高效、清洁利用技术领域。

背景技术

碳纳米管是由类似石墨结构的六边形网格卷绕而成的中空的“微管”，分为单层管和多壁管。多壁管由若干个层间距约为0.34纳米的同轴圆柱面套构而成。普通碳纳米管的直径从几十纳米到几百纳米不等，长度以微米为单位，而超长碳纳米管的长度可达厘米级甚至分米级。碳纳米管及其复合材料以其独特的性质被广泛应用在场发射、多功能复合材料、催化剂材料、储氢材料、传感器、生物医学、吸附材料和电化学等诸多方面，被誉为是21世纪最重要的材料之一。

碳纳米管的制备通常采用电弧放电、激光烧蚀、化学气相沉(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或催化化学气相沉积(CCVD)等方法。电弧法和激光蒸发法制备的碳纳米管结晶度程度较高，但产率相对较低。化学气相沉积法是实现工业化大批量生产碳纳米管的有效方法，但制备的碳管中通常含有较多的晶体结构缺陷，并伴有较多难以去除的催化剂杂质。另外，纳米催化剂的使用寿命和生长温度决定了碳纳米管的生长长度，一般制得的碳纳米管长度很短，以微米为单位。同时，上述制备方法需要使用薄金属(Ni、Mo、Fe、Co等)、衬底和各种碳氢化合物(乙烷、甲烷、乙炔、二甲苯或它们的混合物)等，工艺复杂，原料成本高。随着碳纳米管应用领域的拓宽，开发工艺简单、低成本的超长碳纳米管的制备技术具有重要的意义。

生物质是一种清洁可再生、性质稳定、生产成本较低的天然碳资源。微波加热是电磁场在材料中传播过程中与材料粒子相互作用而产生各种电磁损耗将电磁能转变为热能的过程。与传统加热方法相比，微波加热具有加热速度快、加热均匀、易控制、可进行选择性加热、能耗低、安全无害等特点。以微波为热源，生物质为原料开发碳纳米管的制备工艺备受关注。Zeng等(A route to rapid carbon nanotube growth)在微波场中通过CH₄/N₂化学气相裂解沉积法合成了不同形态的碳纳米管，其结果表明反应温度、CH₄/N₂混合比例和总气体流动速度对碳纳米管的形态影响较大，Raman光谱检测结果表明，制备的碳纳米管石墨化程度较低。Nie等(Growth and morphology of carbon nanostructures by microwave-assisted pyrolysis of methane)采用微波诱导加热二茂铁和碳纤维混合物，反应时间15s，制备出了碳纳米管，但是这种方法使用的催化剂二茂铁较难与碳纳米管分离。专利CN104787747A《一种微波强化快速热解生物质和/或含碳有机废弃物制备多壁碳纳米管的方法》公开了将生物质或含碳有机废弃物或二者的混合物与微波吸收剂均匀混合，在微波作用下制备得到多壁碳纳米管。但是这种方法制备得到的碳纳米管所含石墨烯晶体含量较低，约0.70，且结构不完善。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物质经两步微波处理制超长多壁碳纳米管的方法，解决现有技术使用催化剂，且催化剂与碳纳米管分离困难，碳纳米管结构缺陷多，制备工艺复杂等技术问题；本发明有效降低了碳纳米管的制备成本，提高了碳纳米管的生产效率和品质，可大规模生产，是一种经济高效的超长多壁碳纳米管制备方法。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

(1)通过化学预处理方法从生物质中分离纤维素样品