硫酸催化竹粉新型基碳材料的制備

王 澍，王 杰

（黃山學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，安徽 黃山 245041）

硫酸催化竹粉新型基碳材料的制備

王 澍，王 杰

（黃山學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，安徽 黃山 245041）

利用硫酸催化竹粉制備新型基碳材料，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、硫酸的濃度，獲得硫酸催化竹粉制備新型基碳材料的最佳工藝條件。 結(jié)果表明 90%的硫酸在 90℃下催化竹粉 6h， 其碳化率可高達(dá)54%。 為竹材資源特別是短纖維竹粉（竹屑）等的生態(tài)高值化理論和應(yīng)用提供了新的途徑。

竹粉；催化；基碳材料

隨著能源短缺和環(huán)境問題的日益突出，進(jìn)行清潔可再生能源的開發(fā)以滿足人類社會生存和發(fā)展需要已成為全世界關(guān)注的熱點(diǎn)。基碳材料具有廣泛的潛在優(yōu)越性，在機(jī)械、化學(xué)、物理、醫(yī)藥及材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是其在材料方面的應(yīng)用 ，正 受到越來越 多的關(guān)注[1-3]。 利用大自然中 可再生的，擁有大量有機(jī)碳的生物質(zhì)成為人類未來首選資源[4]。 傳統(tǒng) 生 物質(zhì) 利 用 技術(shù) 需對原料 進(jìn)行干 燥 ，增加 了 設(shè) 備 成 本 和 能 耗 ， 制 約 了 生 物 質(zhì) 能 的 發(fā) 展[5，6]。而將水作為反應(yīng)介質(zhì)，在一定溫度和催化作用下將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為基碳材料，廉價(jià)易得，理化特性簡單。 基碳 材 料 應(yīng) 用 廣 泛 ， 如 ： 催 化[7]、 儲 氫[8]、 生 物 醫(yī) 學(xué)[9]、 水處 理[10]、二 氧 化 碳 吸 附[11]、甲 醇 燃 料 電 池[12]、電 容 器[13]等，因此這種理想的制備基碳材料的方法為生物質(zhì)能的發(fā)展提供新的有利途徑。

我國江南地區(qū)竹材資源豐富，國家對竹材資源的綜合開發(fā)利用也逐步展開，特別是竹質(zhì)工程材料。 主要的產(chǎn)品有竹集成材、竹層積材和分級竹絲等復(fù)合材料。而在竹材加工的下腳料的化學(xué)綜合利用方面，還鮮有研究報(bào)道。

本文通過對獲得的短纖維竹粉（竹屑）進(jìn)行硫酸催化處理，以獲得廉價(jià)易得，理化特性簡單的基碳材料。旨在為最終實(shí)現(xiàn)竹材剩余物的全效（100%）利用提供應(yīng)用的理論依據(jù)，也為竹材資源的生態(tài)高值化理論和應(yīng)用提供新的途徑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)用試劑

竹粉：黃山市金泰竹業(yè)有限公司提供，將竹材加工的下腳料過 10 目篩網(wǎng)，放入 105℃電熱鼓風(fēng)干燥 2 小時(shí)后放入干燥器中備用；硫酸 ：A.R.級，由西隴化工股份有限公司提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)主要儀器

鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司 HH-S恒溫水浴鍋， 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司 GZX-9030 電熱鼓風(fēng)干燥箱， 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司 SHZ-D （Ⅲ）循 環(huán) 水式真 空水泵， 美 國 Nicolet （尼 高 力 ） 公 司Nicolet380 紅外光譜儀，珀金埃爾默儀器有限公司TGA4000 熱重分析儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 竹粉基碳材料的制備

（1）稱取竹粉 6.00g，按照固液比為 1:15，依次取30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，95%濃度的新制硫酸溶液混合均勻，75℃的恒溫水浴加熱 6h，自然冷卻至室溫， 洗滌、 真空抽濾至濾液 pH= 7，120℃真空干燥 10h，即得產(chǎn)品。

（2）稱取竹粉 6.00g，按照固液比為 1:15，?。?）中膠體碳產(chǎn)率最高濃度的新制硫酸溶液混合均勻，分別置于 75℃，80℃，85℃，90℃，95℃的恒溫水浴加熱 6h，自然冷卻至室溫，洗滌、真空抽濾至濾液 pH= 7，120℃真空干燥 10h，即得產(chǎn)品。

（3）稱取竹粉 6.00g，按照固液比為 1:15，取上述（1） 中膠體碳產(chǎn)率最高濃度的新制硫酸溶液混合均勻，置于（2）中膠體碳產(chǎn)率最高溫度下的恒溫水浴加熱 1h，2h，4h，6h，8h，10h，自然冷卻至室溫，洗滌、真空抽濾至濾液 pH=7，120℃真空干燥 10h，即得產(chǎn)品。

1.3.2 竹粉基碳材料熱重分析檢測

采用珀金埃爾默儀器有限公司 TGA4000 熱重分析儀對樣品進(jìn)行熱失重分析，溫度范圍 50-850℃，升溫速率 10℃/min。

1.3.3 竹粉基碳材料紅外光譜分析

采用美國 Nicolet（尼高力）公司 Nicolet380 紅外光譜儀，用 KBr壓片法測定，掃描速度為 32 次/秒，分辨率為 4cm－1。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳化產(chǎn)率的分析

圖1 硫酸濃度對碳化產(chǎn)率的影響

圖1 為 分 別 取 30% ，40% ，50% ，60% ，70% ，80%，90%，95%濃度的新制硫酸溶液與 6.00g 竹粉按照固液比為 1:15 混合均勻，75℃的恒溫水浴加熱6h，自然冷卻至室溫，洗滌、真空抽濾至濾液 pH= 7，120℃真空干燥 10h，所得基碳材料產(chǎn)率與硫酸濃度的關(guān)系圖。

由圖1可以看出竹粉基碳產(chǎn)率隨著硫酸濃度的增加而增加，當(dāng)硫酸濃度達(dá)到 90%時(shí)基碳產(chǎn)率達(dá)到最高點(diǎn)，繼續(xù)增大硫酸濃度，基碳產(chǎn)率略有下降。

圖2 為濃度為 90%的新制硫酸溶液與 6.00g 竹粉按照固液比為 1:15 混合均勻， 分別置于 75℃，80℃，85℃，90℃，95℃的恒溫水浴加熱 6h，自然冷卻至室溫，洗滌、真空抽濾至濾液 pH=7，120℃真空干燥 10h，所得基碳材料產(chǎn)率與溫度的關(guān)系圖。

圖2 溫度對碳化產(chǎn)率的影響

由圖2可以看出竹粉基碳產(chǎn)率隨著水浴溫度的增加而增加，當(dāng)水浴溫度達(dá)到 90℃時(shí)基碳產(chǎn)率達(dá)到最高點(diǎn)，繼續(xù)提高水浴溫度，基碳產(chǎn)率略有下降。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對碳化產(chǎn)率的影響

圖3 為濃度為 90%的新制硫酸溶液與 6.00g 竹粉按照固液比為 1:15 混合均勻，置于 90℃的恒溫水浴加熱 1h，2h，4h，6h，8h，10h， 自然冷卻至室溫，洗滌、真空抽濾至濾液 pH=7，120℃真空干燥 10h，所得基碳材料產(chǎn)率與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系圖。

由圖 3可以看出在反應(yīng)時(shí)間低于 6h時(shí)， 竹粉基碳產(chǎn)率隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而顯著增加，而當(dāng)反應(yīng)時(shí)間繼續(xù)增加時(shí)，竹粉基碳產(chǎn)率隨反應(yīng)時(shí)間的增加基本趨于不變。

2.2 竹粉基碳材料的結(jié)構(gòu)和性能測試

圖4 竹粉基碳材料熱重分析圖譜

圖4為竹粉基碳材料的熱重分析圖譜。從圖中可以看出，120℃之前無失重現(xiàn)象， 說明基碳材料中無結(jié)合水等揮發(fā)性物質(zhì)，200-845℃均勻失重，說明基碳材料結(jié)構(gòu)均一。

圖5為竹粉基碳材料的紅外光譜圖。從圖中可以看出， 在 3414cm-1處的峰屬于 O-H 基伸縮振動產(chǎn)生的吸收峰，2500-1900cm-1區(qū)域?yàn)槿I和累積雙鍵區(qū)， 主要包括-C≡C、-C≡N 等叁鍵的伸縮振動，以及-C=C=C、-C=C=O 等累積雙鍵的不對稱性伸縮振動。 1900-1200cm-1范圍主要是 C=O 和 C=C 鍵的伸縮振動。 1000-1300cm-1主要是 C-O 的伸縮振動。400-900cm-1區(qū)域是一些重原子伸縮振動和一些變形振動。 由圖可見，竹粉基碳材料中豐富的 O-H 基等官能團(tuán)為該基碳材料的綜合利用提供了契機(jī)。

圖5 竹粉基碳材料的紅外光譜

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)利用硫酸催化竹粉來制備新型基碳材料，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、硫酸的濃度，獲得硫酸催化竹粉制備新型基碳材料的最佳的工藝條件，為生物質(zhì)能的發(fā)展提供新的有利途徑。

產(chǎn)品竹粉基碳材料通過紅外光譜和熱重手段分析，可知其中不含結(jié)合水等揮發(fā)性物質(zhì)，結(jié)構(gòu)均一，且含有豐富的羥基、醚基、酯基、碳碳雙鍵等官能團(tuán)，從結(jié)構(gòu)上為它在染料吸附、催化劑載體、電化學(xué)等方面的綜合利用提供了依據(jù)，有利于我國江南地區(qū)豐富竹材資源的生態(tài)高值化。

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責(zé)任編輯：胡德明

A New Carbon Material Preparation with Bamboo Powder Using Sulfuric Acid as the Catalyst

Wang Shu,Wang Jie
（College of Chemistry and Chemical Engineering,Huangshan University,Huangshan 245041,China）

Sulfuric acid is used as the catalyst to prepare a new carbon material with bamboo powder. The most favorable conditions of the preparation are obtained by controlling reaction time,temperature and sulfuric acid concentration.The results indicate that the carbonation rate of bamboo powder can reach 54% after a 6-hour reaction in 90%sulfuric acid concentration at 90℃ ,which provides a new method to the study and maximum use of bamboo resources(short fiber bamboo powder in particular).

bamboo powder;catalyze;carbon mate,lial

O69

：A

：1672-447X（2017）03-0047-03

2016-12-06

安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（AH201310375051）；黃山學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目（2011xkj014）

王澍（1979-），安徽歙縣人，黃山學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院講師，研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物提取與納米催化。