專利名稱：微波輻照煤制備碳納米材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料技術(shù)及微波化學(xué)領(lǐng)域，涉及一種制備碳納米材料的方法，特別涉及微波輻照煤制備高比表面積活性炭和準(zhǔn)一維碳納米材料。
背景技術(shù)：
活性炭在水處理、空氣凈化、貴金屬提取等方面有廣泛應(yīng)用，高比表面積活性炭除上述應(yīng)用外，還可用于超級(jí)電容器儲(chǔ)能等方面。傳統(tǒng)的活性炭生產(chǎn)方法能耗高、污染嚴(yán)重，許多國(guó)家已限制其應(yīng)用。專利931146937.2公布了一種“微波輻射法制造粉狀活性炭”的方法，它將木屑與磷酸或氯化鋅溶液浸漬，再用微波輻射制得活性炭，但這種方法以木屑為原料，而木屑來源不廣，需消耗森林資源，這限制了該方法的應(yīng)用。專利02113270.4公布了一種“微波輻射煙桿固體廢棄物制造粉狀活性炭的方法”，該方法將煙桿固體廢棄物粉碎后與氯化鋅水溶液進(jìn)行混合浸漬后進(jìn)行微波輻射加熱，經(jīng)酸洗、烘干后得到活性炭，該方法能耗低、原材料成本低，不過，煙桿固體廢棄物需較長(zhǎng)時(shí)間浸漬，氯化鋅有較嚴(yán)重的污染，方法僅針對(duì)煙桿固體廢棄物這一特殊原料。專利2004100220085.X公布了“一種用褐煤渣生產(chǎn)活性炭的方法”，這是一種變廢為寶的辦法，不過，褐煤渣含碳量較低，活性炭收率較低，生產(chǎn)過程中有較多活化劑被非碳物質(zhì)帶走，而且生產(chǎn)高性能活性炭困難。開發(fā)高效、節(jié)能、少無污染的活性炭制備方法大有必要，尤其是高性能、高比表面積活性炭的高效、節(jié)能、少無污染制備方法有著重要的應(yīng)用價(jià)值。
準(zhǔn)一維碳納米材料有著獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在儲(chǔ)能器件、場(chǎng)發(fā)射顯示器、一維量子導(dǎo)線、催化劑載體、復(fù)合材料增強(qiáng)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景，但是，至今準(zhǔn)一維碳納米材料仍不能以可接受的價(jià)格規(guī)模生產(chǎn)，這成為其普遍應(yīng)用的瓶頸問題。準(zhǔn)一維碳納米材料的制備目前主要有電弧放電法、激光燒蝕法和化學(xué)氣相沉積法。電弧放電法和激光燒蝕法是通過高溫蒸發(fā)碳材料生成準(zhǔn)一維碳納米材料，其收率低，難以批量生產(chǎn)；化學(xué)氣相沉積法是將碳?xì)浠衔锝?jīng)過渡金屬催化劑作用下經(jīng)高溫?zé)岱纸馍蓽?zhǔn)一維碳納米材料，這些碳源為氣體物質(zhì)，儲(chǔ)存和運(yùn)輸都困難；另外，制備過程中的能量利用率低、產(chǎn)量也較低。
煤作為自然界一種豐富而廉價(jià)的原料，可供準(zhǔn)一維碳納米材料生長(zhǎng)所需碳源。專利01122772.9公布了“碳納米材料的制備及裝置”，是將煤等含碳材料和催化劑直接噴入等離子體射流中制備碳納米材料，該方法原料成本低，但等離子體發(fā)生器的價(jià)格貴，生產(chǎn)成本高；專利200310105047公布了“一種由煤連續(xù)制備碳納米材料的方法及裝置”、專利20031010532公布了“一種由煤制備納米碳纖維的方法”，這兩種方法是通過電弧等離子體處理煤粉和催化劑，并通入水蒸汽作為促進(jìn)劑，制備準(zhǔn)一維碳納米材料，但該方法存在電極燒損，導(dǎo)致成本增大；低成本、大批量制備準(zhǔn)一維碳納米材料有著重要的實(shí)際意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高效、節(jié)能、環(huán)保、低成本且大批量地制備碳納米材料的方法，包括制備高比表面積活性炭和準(zhǔn)一維碳納米材料。
本發(fā)明的具體內(nèi)容是1.微波輻照煤制備高比表面積活性炭的方法；將洗選過的煤與一定比例的活化劑混合磨勻，放入微波爐進(jìn)行輻照，使之加熱、燃燒并起電弧，然后進(jìn)行水洗并回收活化劑，再將水洗產(chǎn)物酸洗、水洗、烘干，即得高比表面積活性炭。所述的煤為無煙煤、煙煤、褐煤或泥煤；所述的活化劑為氫氧化鈉或氫氧化鉀；所述的活化劑與煤的質(zhì)量比為1～5∶1；所述的微波爐的輸入功率連續(xù)可調(diào)，微波爐內(nèi)的氣氛可調(diào)；所述的微波輻照的時(shí)間為3～60分鐘。
2.微波輻照煤制備準(zhǔn)一維碳納米材料的方法；在洗選過的煤中加入一定比例的催化劑混合磨勻，放入微波爐進(jìn)行輻照，使之加熱、燃燒并起電弧，然后進(jìn)行純化，即得準(zhǔn)一維碳納米材料，所述的煤為無煙煤、煙煤、褐煤或泥煤；所述的催化劑為Fe、Co、Ni及其合金，它們由相應(yīng)的醋酸鹽、氧化物、氫氧化物在制備過程中還原而生成，或以納米粉體金屬加入；所述的催化劑加入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％～5％；所述的微波爐的輸入功率連續(xù)可調(diào)，微波爐內(nèi)的氣氛可調(diào)；所述的微波輻照的時(shí)間為3～60分鐘。所述的準(zhǔn)一維碳納米材料包括碳納米管和碳納米纖維。
化學(xué)氣相沉積法、電弧放電法、燃燒火焰法是目前制備準(zhǔn)一維碳納米材料的典型方法，本發(fā)明將三者的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合在一起，卻沒有了三者原有的局限性，并且使用的原料廉價(jià)而豐富。
本發(fā)明得到的有益效果是(1)采用煤為主要原材料，煤的價(jià)格低廉、來源廣泛；(2)在微波輻照煤制備碳納米材料的過程中，關(guān)鍵步驟和主要耗能步驟是微波引發(fā)煤的加熱、燃燒并起電弧，通過煤與活化劑或催化劑的反應(yīng)，生成高比表面積活性炭或準(zhǔn)一維碳納米材料，制備周期短、能耗低；(3)本方法設(shè)備投資少、操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)；(4)煤的燒損少、轉(zhuǎn)變?yōu)樘技{米材料的收率高，對(duì)環(huán)境少無污染。


圖1為微波輻照煤制備高比表面積活性炭的流程圖；圖2為微波輻照煤制備準(zhǔn)一維碳納米材料的流程圖；圖3為微波輻照煤制備的準(zhǔn)一維碳納米材料的透射電鏡照片。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1將洗選過的煙煤與氫氧化鉀按質(zhì)量比為1∶4進(jìn)行混合，用攪拌磨磨均勻，放入功率為700W的微波爐中，在氮?dú)鈿夥罩休椪?0min，取出后用水清洗。水洗液進(jìn)入回收槽；水洗后的固體物中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％的鹽酸溶液進(jìn)行酸洗，再經(jīng)水洗、烘干，即可得比表面積為3000m2/g以上的高比表面積活性炭。
實(shí)施例2在洗選過的無煙煤中加入質(zhì)量比為2％的納米級(jí)Fe粉進(jìn)行混合，用攪拌磨磨均勻，放入功率為1000W的微波爐中，在空氣氣氛中使之加熱、燃燒并起電弧，輻照時(shí)間為15min，取出后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98％的濃硫酸溶液進(jìn)行酸洗純化，即可得碳納米管和碳納米纖維的混合物。
權(quán)利要求
1.一種微波輻照煤制備高比表面積活性炭的方法，其特征在于包括如下制備過程將洗選過的煤與一定比例的活化劑混合磨勻，放入微波爐進(jìn)行輻照，使之加熱、燃燒并起電弧，然后進(jìn)行水洗并回收活化劑，再將水洗產(chǎn)物酸洗、水洗、烘干，即得高比表面積活性炭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波輻照煤制備高比表面積活性炭的方法，其特征在于所述的煤為無煙煤、煙煤、褐煤或泥煤。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波輻照煤制備高比表面積活性炭的方法，其特征在于所述的活化劑為氫氧化鈉或氫氧化鉀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波輻照煤制備高比表面積活性炭的方法，其特征在于所述的活化劑與煤的質(zhì)量比為1～5∶1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波輻照煤制備高比表面積活性炭的方法，其特征在于所述的微波爐的輸入功率連續(xù)可調(diào)，微波爐內(nèi)的氣氛可調(diào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波輻照煤制備高比表面積活性炭的方法，其特征在于所述的微波輻照的時(shí)間為3～60分鐘。
7.一種微波輻照煤制備準(zhǔn)一維碳納米材料(這里所述準(zhǔn)一維碳納米材料包括碳納米管和碳納米纖維)的方法，其特征在于包括如下制備過程在洗選過的煤中加入一定比例的催化劑混合磨勻，放入微波爐進(jìn)行輻照，使之加熱、燃燒并起電弧，然后進(jìn)行純化，即得準(zhǔn)一維碳納米材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微波輻照煤制備準(zhǔn)一維碳納米材料的方法，其特征在于所述的煤為無煙煤、煙煤、褐煤或泥煤。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微波輻照煤制備準(zhǔn)一維碳納米材料的方法，其特征在于所述的催化劑為Fe、Co、Ni及其合金，它們由相應(yīng)的醋酸鹽、氧化物、氫氧化物在制備過程中還原而生成，或以納米粉體金屬加入。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微波輻照煤制備準(zhǔn)一維碳納米材料的方法，其特征在于所述的催化劑加入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％～5％。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微波輻照煤制備準(zhǔn)一維碳納米材料的方法，其特征在于所述的微波爐的輸入功率連續(xù)可調(diào)，微波爐內(nèi)的氣氛可調(diào)。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微波輻照煤制備準(zhǔn)一維碳納米材料的方法，其特征在于所述的微波輻照的時(shí)間為3～60分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公布了微波輻照煤制備碳納米材料的方法，所述碳納米材料包括高比表面積活性炭和準(zhǔn)一維碳納米材料。高比表面積活性炭的制備過程如下將洗選過的煤與一定比例的活化劑混合磨勻，放入微波爐進(jìn)行輻照，使之加熱、燃燒并起電弧，然后進(jìn)行水洗并回收活化劑，再將水洗產(chǎn)物酸洗、水洗、烘干，即得高比表面積活性炭；準(zhǔn)一維碳納米材料(包括碳納米管和碳納米纖維)的制備過程如下在洗選過的煤中加入一定比例的催化劑混合磨勻，放入微波爐進(jìn)行輻照，使之加熱、燃燒并起電弧，然后進(jìn)行純化，即得準(zhǔn)一維碳納米材料。微波輻照煤制備碳納米材料的方法采用價(jià)格低廉的煤為原料，其制備周期短、能耗低、成本低、少無污染，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C01B31/12GK1857998SQ20061003112
公開日2006年11月8日 申請(qǐng)日期2006年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月10日
發(fā)明者梁逵 申請(qǐng)人:梁逵