廢棄木質纖維制備石墨化碳材料及表征

趙騰 蔣寧 裴桐鶴 相晨宇 李秋林 劉亞冰

【摘?要】以廢棄濾紙為原材料，采用靜壓燒結方法在同一升溫速度，同一壓強和不同溫度下廢棄濾紙的碳化行為。研究發現升溫有利于提高熱解碳的石墨化程度，有利于對熱解碳形貌的控制。

【關鍵詞】濾紙;靜壓燒結;鋰離子電池;石墨化碳

鋰離子電池由于其穩定的充放電過程、高能量密度高、工作電壓污染低、成本低以及無污染等特點，備受人們的青睞。近來如何在安全的情況下由改變碳結構來提高碳陽極的比容量是科學研究的熱點[1]。由于壓力可以對前驅體碳化過程中的粘度、相分離、碳的石墨化行為、溶解度以及密度等產生影響。因此壓力下熱解-碳化技術對于在更大范圍內控制材料的微觀結構組織與組分，以及優化材料性能提供了新途徑[2]。本文以靜壓燒結作為手段，木質纖維產品（廢棄濾紙）為原料，對相同升溫速率、相同壓力、不同溫度下的碳化行為進行了研究。

碳材料的合成采用國產六面頂壓機制備的。首先利用與葉臘石所需樣品尺寸相同的有關模具將廢棄濾紙成型，再把成型后的試樣放置于入葉臘石合成塊中，然后采用旁熱式加熱法進行加熱。將升溫速率設定為10℃/min、壓力設定為2.5GPa不變，分別在800℃、900℃和1000℃的溫度下制備熱解碳樣品。

圖1（a）為三種樣品通過掃描電子顯微鏡觀察到的圖像，我們將濾紙原料形貌圖a（1）與如圖a（2-4）所示，熱解碳在升溫速率設為10℃/min、壓力設為2.5GPa條件下，熱解碳樣品在800℃條件下呈現為互相連接的棒狀結構。在900℃條件下其形貌從互相連接的棒狀結構轉為棒狀與光滑顆粒狀混合結構。在1000℃條件下其形貌從棒狀與光滑顆粒狀混合結構轉變為相連接的塊狀顆粒結構。

不同溫度下得到碳材料的紅外光譜如圖1（b）所示，C=C雙鍵對應的振動模式對應的吸收峰出現在600-1200 cm-1;，芳香環中H原子的振動模式對應的吸收峰位置在1440 cm-1附近;C-H鍵振動模式對應的吸收峰位置在2900cm-1附近;-OH鍵振動模式對引發的吸收峰位置出現在3400 cm-1附近。隨著溫度的升高，熱解碳樣品中的-OH鍵、C-H鍵與H原子逐漸減少。在熱壓燒結的過程中隨著升溫H鍵斷裂，以氣體的形式釋放，有利于形成熱解碳的特殊形貌。

如圖1（c）所示，三種不同溫度下制備的熱解碳材料的XRD衍射圖，可以觀察到三個樣品的石墨碳（002）的晶面峰出現在26.1°，石墨碳（004）的晶面峰出現在43.4°，石墨碳（004）的晶面峰出現在54.2°。并且三種衍射峰的強度隨著溫度的升高而增強，熱解碳（002）晶面的半高寬在溫度分別為800℃、900℃、1000℃時分別為0.352nm、0.347nm與0.334nm。

三種熱解碳的拉曼光譜如圖1（d）所示，該測試進一步研究溫度對熱解碳結構的影響。圖中三熱解碳樣品的D峰都出現在1360cm-1，碳樣品的G峰都出現在1560cm-1并且2D峰都出現在2680cm-1附近。環和鏈中伸縮的sp2原子對使得G峰有E2g對稱性，可以用來說明熱解碳的石墨化程度。sp2原子對的鏈中振動模式產生的D峰具有A1g對稱性且可用來說明熱解碳的混亂程度。2D峰是D峰的二介峰。用于說明熱解碳無序程度的比值ID/IG在800℃、900℃、1000℃時分別為1.23、1.18、0.56.數據表明，溫度越高，熱解碳的混亂程度越低，石墨化程度越高。拉曼譜的測試結果驗證了XRD的測試結果。

圖1為2.5GPa，10℃/min時的不同溫度下獲得碳材料的形貌及性能。（a）（1）為濾紙，（2）（3）（4），在800 ℃、900 ℃、1000 ℃下熱解碳的SEM圖;（b）800 ℃、900 ℃和1000 ℃下樣品的FTIR圖;（c）溫度800℃、900℃和1000℃時，三種熱解碳的XRD測試圖;（d）溫度800℃、900℃、1000℃下三種熱解碳的拉曼圖。

本文采用廢棄濾紙作原料，采用靜壓燒結的方法，研究了同一升溫速率，同一壓強，不同溫度下的碳化行為。

參考文獻：

[1]Yang F.，Tan J.，Sui X. Analysis of Environmental Protection Constraint of Energy Development[M]. 2019.

[2]Das T. K.，Ghosh P.，Das N. C. Preparation，development，outcomes，and?application versatility of carbon fiber-based polymer composites：a review[J]. Advanced Composites and Hybrid Materials，2019：1-20.

基金項目：

本文系全國大學生創新創業項目《基于廢棄塑料高效轉化石墨烯與資源化利用研究》（立項批準號：202010191075）的階段性成果”。

（作者單位：吉林建筑大學材料科學與工程學院）