废弃木质纤维制备石墨化碳材料及表征

赵腾 蒋宁 裴桐鹤 相晨宇 李秋林 刘亚冰

【摘 要】以废弃滤纸为原材料，采用静压烧结方法在同一升温速度，同一压强和不同温度下废弃滤纸的碳化行为。研究发现升温有利于提高热解碳的石墨化程度，有利于对热解碳形貌的控制。

【关键词】滤纸;静压烧结;锂离子电池;石墨化碳

锂离子电池由于其稳定的充放电过程、高能量密度高、工作电压污染低、成本低以及无污染等特点，备受人们的青睐。近来如何在安全的情况下由改变碳结构来提高碳阳极的比容量是科学研究的热点[1]。由于压力可以对前驱体碳化过程中的粘度、相分离、碳的石墨化行为、溶解度以及密度等产生影响。因此压力下热解-碳化技术对于在更大范围内控制材料的微观结构组织与组分，以及优化材料性能提供了新途径[2]。本文以静压烧结作为手段，木质纤维产品（废弃滤纸）为原料，对相同升温速率、相同压力、不同温度下的碳化行为进行了研究。

碳材料的合成采用国产六面顶压机制备的。首先利用与叶腊石所需样品尺寸相同的有关模具将废弃滤纸成型，再把成型后的试样放置于入叶腊石合成块中，然后采用旁热式加热法进行加热。将升温速率设定为10℃/min、压力设定为2.5GPa不变，分别在800℃、900℃和1000℃的温度下制备热解碳样品。

图1（a）为三种样品通过扫描电子显微镜观察到的图像，我们将滤纸原料形貌图a（1）与如图a（2-4）所示，热解碳在升温速率设为10℃/min、压力设为2.5GPa条件下，热解碳样品在800℃条件下呈现为互相连接的棒状结构。在900℃条件下其形貌从互相连接的棒状结构转为棒状与光滑颗粒状混合结构。在1000℃条件下其形貌从棒状与光滑颗粒状混合结构转变为相连接的块状颗粒结构。

不同温度下得到碳材料的红外光谱如图1（b）所示，C=C雙键对应的振动模式对应的吸收峰出现在600-1200 cm-1;，芳香环中H原子的振动模式对应的吸收峰位置在1440 cm-1附近;C-H键振动模式对应的吸收峰位置在2900cm-1附近;-OH键振动模式对引发的吸收峰位置出现在3400 cm-1附近。随着温度的升高，热解碳样品中的-OH键、C-H键与H原子逐渐减少。在热压烧结的过程中随着升温H键断裂，以气体的形式释放，有利于形成热解碳的特殊形貌。

如图1（c）所示，三种不同温度下制备的热解碳材料的XRD衍射图，可以观察到三个样品的石墨碳（002）的晶面峰出现在26.1°，石墨碳（004）的晶面峰出现在43.4°，石墨碳（004）的晶面峰出现在54.2°。并且三种衍射峰的强度随着温度的升高而增强，热解碳（002）晶面的半高宽在温度分别为800℃、900℃、1000℃时分别为0.352nm、0.347nm与0.334nm。

三种热解碳的拉曼光谱如图1（d）所示，该测试进一步研究温度对热解碳结构的影响。图中三热解碳样品的D峰都出现在1360cm-1，碳样品的G峰都出现在1560cm-1并且2D峰都出现在2680cm-1附近。环和链中伸缩的sp2原子对使得G峰有E2g对称性，可以用来说明热解碳的石墨化程度。sp2原子对的链中振动模式产生的D峰具有A1g对称性且可用来说明热解碳的混乱程度。2D峰是D峰的二介峰。用于说明热解碳无序程度的比值ID/IG在800℃、900℃、1000℃时分别为1.23、1.18、0.56.数据表明，温度越高，热解碳的混乱程度越低，石墨化程度越高。拉曼谱的测试结果验证了XRD的测试结果。

图1为2.5GPa，10℃/min时的不同温度下获得碳材料的形貌及性能。（a）（1）为滤纸，（2）（3）（4），在800 ℃、900 ℃、1000 ℃下热解碳的SEM图;（b）800 ℃、900 ℃和1000 ℃下样品的FTIR图;（c）温度800℃、900℃和1000℃时，三种热解碳的XRD测试图;（d）温度800℃、900℃、1000℃下三种热解碳的拉曼图。

本文采用废弃滤纸作原料，采用静压烧结的方法，研究了同一升温速率，同一压强，不同温度下的碳化行为。

参考文献：

[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.

基金项目：

本文系全国大学生创新创业项目《基于废弃塑料高效转化石墨烯与资源化利用研究》（立项批准号：202010191075）的阶段性成果”。

（作者单位：吉林建筑大学材料科学与工程学院）