一种高效合成微米级竹纤维素基炭微球的制备方法与流程

1.本发明涉及竹纤维素领域。具体涉及一种高效合成微米级竹纤维素基炭微球的制备方法。


背景技术：

2.随着我国“双碳”目标的确立，发展新技术、新材料，开发可持续、可再生的生物质作为原料等有效的固碳措施，成了现在研究的当务之急。炭微球作为新型碳材料，具有自烧结性能、化学惰性、高堆积密度、高热稳定性以及优良的导电导热性性能。同时制备炭微球也是有效的固碳途径，炭微球材料大规模使用可以辅助早日达成“双碳”目标。目前广泛用于高性能液相色谱柱填料、催化剂载体、锂离子及二次电池负极材料以及燃料炭等领域。
3.纤维素是自然界中含量最为丰富、可再生的天然有机高分子，其来源十分广泛，包括植物、海洋、生物和微生物。我国是世界竹子中心产区之一，拥有全世界最丰富竹类资源，现有竹林面积641万公顷，竹材主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中，竹材纤维素含量为40
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60%，储量丰富。因此，以竹纤维素为原料，通过水热碳化技术制备微米级炭球，可以大幅提高碳固存率，极大丰富竹材的应用领域。
4.而现有技术中所常用的炭微球制备方法往往存在着制备效率低、炭微球尺寸不均一、形貌较难控制的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中炭微球制备所存在的问题，从而提供了一种高效合成微米级竹纤维素基炭球的制备方法，以显著提高生物质基炭微球的制备效率，改善炭微球尺寸均一性，使其球型形貌完整、颗粒分散。
6.为达到上述目的，本发明是通过如下手段得以实现的：本发明提供了一种高效合成微米级竹纤维素基炭微球的制备方法，包括如下步骤：（1）称取竹原料至容器中，加入酸性催化剂溶液，搅拌至离散均匀的悬浮液；（2）把悬浮液倒入水热反应釜中，拧紧密封；（3）在搅拌条件下向水热反应釜中持续通入保护气体，在排尽空气后维持一定气体压力，关闭进气阀和排气阀；（4）升温至预定温度后保温；随后自然冷却至室温，打开反应釜收集固体产物；（5）使用溶剂进行循环抽滤，直至滤液无色透明，ph检测呈中性为止；（6）将过滤后的固体产物放置在烘箱中进行干燥，烘至绝干，收集保存。
7.作为优选地，步骤（1）中所述竹原料选自竹纤维或竹浆纤维中的一种或多种。
8.作为优选地，步骤（1）中所述酸性催化剂溶液选自盐酸、磷酸、柠檬酸、硫酸、丙烯酸中的一种或多种。
9.作为优选地，步骤（1）中所述酸性催化剂溶液ph值为0
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3。
10.作为优选地，步骤（1）中所述搅拌速度为50
‑
500 r/min。
11.作为优选地，步骤（1）中所述竹原料与所述酸性催化剂溶液的质量体积比为1
‑
4:100。
12.作为优选地，步骤（3）中所述搅拌速度为80
‑
400r/min。
13.作为优选地，步骤（3）中所述保护气体选自氮气、氩气、氦气中的一种或多种；最优选地，所述保护气体选自氮气。
14.作为优选地，步骤（3）中所述气体压力维持在0.01mpa。
15.作为优选地，步骤（4）中升温速率为3
‑
10℃/min，预定温度为220
‑
260℃，保温时间为4
‑
18h。
16.作为优选地，步骤（5）中所述溶剂选自去离子水、无水乙醇中的一种或多种。
17.作为优选地，步骤（6）中所述干燥温度为80
‑
100℃，干燥时间为10
‑
24h。
18.应注意的是，在无特别说明的情况下，对于本领域技术人员来说，能够理解本发明上下文中所述“质量体积比”等同于“质量百分比”或
ꢀ“
质量分数”，用于表示常温下固体与液体之间的用量配比。具体至本发明中，例如当所述竹原料与所述酸性催化剂溶液质量体积比为1:100时，当加入1g竹原料时，能够明确常温下酸性催化剂溶液的体积为100ml；同理，当所述竹原料与所述酸性催化剂溶液质量体积比为4:100时，当加入4g竹原料时，能够明确常温下酸性催化剂溶液的体积为100ml。
19.本发明相对于现有技术具有如下有益效果：（1）针对目前制备的炭微球尺寸较不均一、形貌较难控制的不足，本发明使用柠檬酸、盐酸、磷酸等常规的酸性溶液作为催化剂，通过调节水热反应的ph值，一步制备微米级竹纤维素基炭球，极大地提高了生物质基炭微球的制备效率。
20.（2）本发明所制备获得的竹纤维素基炭微球的粒径均一，集中分布在2
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，同时炭微球球型形貌完整，颗粒分散，表面官能团丰富；在催化、吸附及电极材料等领域具有重要的应用价值和前景。
附图说明
21.图1为实施例1制备的竹纤维素基炭微球的扫描电子显微镜照片。
22.图2为实施例2制备的竹纤维素基炭微球的扫描电子显微镜照片。
23.图3为对比例制备的竹纤维素基炭微球的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
24.为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.实施例1一种高效合成微米级竹纤维素基炭微球的制备方法，包括如下步骤：（1）称取6g竹浆纤维素至容器中，加入300ml、ph为1的稀盐酸溶液，于300r/min转速下搅拌至离散均匀的悬浮液；（2）把悬浮液倒入至容量500ml的水热反应釜中；
（3）在200r/min搅拌条件下向水热反应釜中持续通入15min的氮气，在排尽空气后维持气体压力为0.01mpa，关闭进气阀和排气阀；（4）以3℃/min的升温速率加热至220℃，保温6h；随后自然冷却至室温，打开反应釜收集固体产物；（5）使用去离子水和无水乙醇进行循环抽滤，直至滤液无色透明，ph检测呈中性为止；（6）将过滤后的固体产物放置在烘箱中进行干燥，收集保存；干燥温度为100℃，干燥时间为10h。
26.根据本实施例制备得到的竹纤维素基炭微球的扫描电子显微镜照片如图1所示。采用nano measurer 1.2计算软件计算炭微球粒径，结果表明主要粒径分布区间为2
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㎛
，炭微球球型形貌完整，颗粒分散，均一性良好。
27.实施例2一种高效合成微米级竹纤维素基炭微球的制备方法，包括如下步骤：（1）称取6g竹浆纤维素至容器中，加入300ml、ph为2的稀盐酸溶液，于300r/min转速下搅拌至离散均匀的悬浮液；（2）把悬浮液倒入至容量500ml的水热反应釜中，拧紧密封；（3）在200r/min搅拌条件下向水热反应釜中持续通入15min的氮气，在排尽空气后维持气体压力为0.01mpa，关闭进气阀和排气阀；（4）以3℃/min的升温速率加热至220℃，保温6h；随后自然冷却至室温，打开反应釜收集固体产物；（5）使用去离子水和无水乙醇进行循环抽滤，直至滤液无色透明，ph检测呈中性为止；（6）将过滤后的固体产物放置在烘箱中进行干燥，收集保存；干燥温度为100℃，干燥时间为10h，炭微球球型形貌完整，颗粒分散。
28.根据本实施例制备得到的竹纤维素基炭微球的扫描电子显微镜照片如图2所示。采用nano measurer 1.2计算软件计算炭微球粒径，结果表明主要粒径分布区间为2
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㎛
，炭微球球型形貌完整，颗粒分散，均一性良好。
29.实施例3一种高效合成微米级竹纤维素基炭微球的制备方法，包括如下步骤：（1）称取6g竹浆纤维素至容器中，加入300ml、ph为1的柠檬酸溶液，于300r/min转速下搅拌至离散均匀的悬浮液；（2）把悬浮液倒入至容量500ml的水热反应釜中，拧紧密封；（3）在200r/min搅拌条件下向水热反应釜中持续通入15min的氮气，在排尽空气后维持气体压力为0.01mpa，关闭进气阀和排气阀；（4）以3℃/min的升温速率加热至220℃，保温6h；随后自然冷却至室温，打开反应釜收集固体产物；（5）使用去离子水和无水乙醇进行循环抽滤，直至滤液无色透明，ph检测呈中性为止；（6）将过滤后的固体产物放置在烘箱中进行干燥，收集保存；干燥温度为100℃，干
燥时间为10h。
30.采用nano measurer 1.2计算软件计算炭微球粒径，结果表明主要粒径分布区间为2
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㎛
，炭微球球型形貌完整，颗粒分散，均一性良好。
31.实施例4一种高效合成微米级竹纤维素基炭微球的制备方法，包括如下步骤：（1）称取6g竹浆纤维素至容器中，加入300ml、ph为2的柠檬酸溶液，于300r/min转速下搅拌至离散均匀的悬浮液；（2）把悬浮液倒入至容量500ml的水热反应釜中，拧紧密封；（3）在200r/min搅拌条件下向水热反应釜中持续通入15min的氮气，在排尽空气后维持气体压力为0.01mpa，关闭进气阀和排气阀；（4）以3℃/min的升温速率加热至220℃，保温6h；随后自然冷却至室温，打开反应釜收集固体产物；（5）使用去离子水和无水乙醇进行循环抽滤，直至滤液无色透明，ph检测呈中性为止；（6）将过滤后的固体产物放置在烘箱中进行干燥，收集保存；干燥温度为100℃，干燥时间为10h。
32.采用nano measurer 1.2计算软件计算炭微球粒径，结果表明主要粒径分布区间为2
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㎛
，炭微球球型形貌完整，颗粒分散，均一性良好。
33.实施例5一种高效合成微米级竹纤维素基炭微球的制备方法，包括如下步骤：（1）称取6g竹浆纤维素至容器中，加入300ml、ph为1的磷酸溶液，于300r/min转速下搅拌至离散均匀的悬浮液；（2）把悬浮液倒入至容量500ml的水热反应釜中，拧紧密封；（3）在200r/min搅拌条件下向水热反应釜中持续通入15min的氮气，在排尽空气后维持气体压力为0.01mpa，关闭进气阀和排气阀；（4）以3℃/min的升温速率加热至220℃，保温6h；随后自然冷却至室温，打开反应釜收集固体产物；（5）使用去离子水和无水乙醇进行循环抽滤，直至滤液无色透明，ph检测呈中性为止；（6）将过滤后的固体产物放置在烘箱中进行干燥，收集保存；干燥温度为100℃，干燥时间为10h。
34.采用nano measurer 1.2计算软件计算炭微球粒径，结果表明主要粒径分布区间为2
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㎛
，炭微球球型形貌完整，颗粒分散，均一性良好。
35.实施例6一种高效合成微米级竹纤维素基炭微球的制备方法，包括如下步骤：（1）称取6g竹浆纤维素至容器中，加入300ml、ph为2的磷酸溶液，于300r/min转速下搅拌至离散均匀的悬浮液；（2）把悬浮液倒入至容量500ml的水热反应釜中，拧紧密封；（3）在200r/min搅拌条件下向水热反应釜中持续通入15min的氮气，在排尽空气后
维持气体压力为0.01mpa，关闭进气阀和排气阀；（4）以3℃/min的升温速率加热至220℃，保温6h；随后自然冷却至室温，打开反应釜收集固体产物；（5）使用去离子水和无水乙醇进行循环抽滤，直至滤液无色透明，ph检测呈中性为止；（6）将过滤后的固体产物放置在烘箱中进行干燥，收集保存；干燥温度为100℃，干燥时间为10h。
36.采用nano measurer 1.2计算软件计算炭微球粒径，结果表明主要粒径分布区间为2
‑
10
㎛
，炭微球球型形貌完整，颗粒分散，均一性良好。
37.实施例7一种高效合成微米级竹纤维素基炭微球的制备方法，包括如下步骤：（1）称取6g竹浆纤维素至容器中，加入300ml、ph为1的柠檬酸
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盐酸混合溶液（其中柠檬酸：稀盐酸为1：1），于300r/min转速下搅拌至离散均匀的悬浮液；（2）把悬浮液倒入至容量500ml的水热反应釜中，拧紧密封；（3）在200r/min搅拌条件下向水热反应釜中持续通入15min的氮气，在排尽空气后维持气体压力为0.01mpa，关闭进气阀和排气阀；（4）以3℃/min的升温速率加热至220℃，保温6h；随后自然冷却至室温，打开反应釜收集固体产物；（5）使用去离子水和无水乙醇进行循环抽滤，直至滤液无色透明，ph检测呈中性为止；（6）将过滤后的固体产物放置在烘箱中进行干燥，收集保存；干燥温度为100℃，干燥时间为10h。
38.采用nano measurer 1.2计算软件计算炭微球粒径，结果表明主要粒径分布区间为2
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10
㎛
，炭微球球型形貌完整，颗粒分散，均一性良好。
39.对比例1（1）称取6g竹浆纤维素至容器中，加入300ml去离子水，于300r/min转速下搅拌至离散均匀的悬浮液；（2）把悬浮液倒入至容量500ml的水热反应釜中，拧紧密封；（3）在200r/min搅拌条件下向水热反应釜中持续通入15min的氮气，在排尽空气后维持气体压力为0.01mpa，关闭进气阀和排气阀；（4）以3℃/min的升温速率加热至220℃，保温6h；随后自然冷却至室温，打开反应釜收集固体产物；（5）使用去离子水和无水乙醇进行循环抽滤，直至滤液无色透明，ph检测呈中性为止；（6）将过滤后的固体产物放置在烘箱中进行干燥，收集保存；干燥温度为100℃，干燥时间为10h。
40.根据本对比例制备得到的竹纤维素基炭微球的扫描电子显微镜照片如图3所示。采用nano measurer 1.2计算软件计算炭微球粒径，结果表明主要粒径分布区间为23.62
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184.44nm，平均粒径为53.81nm，炭微球球型形貌完整度差，尺寸大小差异大，均一性差，颗
粒聚集程度高。
41.以上具体实施方式部分对本发明所涉及的分析方法进行了具体的介绍。应当注意的是，上述介绍仅是为了帮助本领域技术人员更好地理解本发明的方法及思路，而不是对相关内容的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域技术人员还可以对本发明进行适当的调整或修改，上述调整和修改也应当属于本发明的保护范围。