一種利用豆渣制備鈉離子電池電極碳材料的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電池材料領域，涉及一種鈉離子電池電極碳材料，具體涉及一種利用豆渣制備鈉離子電池電極碳材料的方法。
【背景技術】
[0002]黃豆又叫大豆、泥豆、馬料豆等，我國主要產區在東北地區。2014年中國精制食用植物油產量達6534萬噸，比去年同期增長5%。中國每個城市又有成千上萬的豆漿豆腐等豆制品作坊，這些作坊每天都會產生大量的豆渣等廢棄物。對豆渣的利用率較低，傳統的利用方式是將豆渣作為動物飼料，直接喂養動物。在日本，大量的豆渣被焚燒掉。在香港，豆渣通常作為廢棄物堆放，未作任何利用。可見如何更好地利用豆渣成為急需研宄和解決的問題。
[0003]與傳統的鋰離子電池不同，鈉離子電池將使用地球上常見的鈉作為鈉離子電池的主要材料，而不是貴重的鋰。鈉離子電池具有工作溫度低、安全性能好、穩定性好、設備簡單、可移動性強等優點。鈉離子電池實際上是一種濃差電池，正負極由倆種不同的鈉離子嵌入化合物組成。充電時，Na+從正極脫嵌經過電解質嵌入負極，負極處于富鈉態，正極處于貧鈉態，同時電子的補償電荷經外電路供給到級，保證正負極電荷平衡；放電時，正負極與充電時相反。
[0004]石墨烯具有優異的電學、力學和熱學性能，是常見的鈉離子電池電極材料。石墨烯雖然目前產量已達量產水平，但價格在500元/克以上，好一點的價格超過1000元/克，遠遠超過了黃金的市場價格；受技術、價格高等因素限制，國內市場此前一直缺乏成熟的石墨烯產品。如果能夠利用廢棄物豆渣來制備石墨烯，將能大大降低石墨烯的制備成本，從而有利于鈉離子電池的推廣。
【發明內容】
[0005]本發明目的是為了克服現有技術的不足而提供一種利用豆渣制備鈉離子電池電極碳材料的方法。
[0006]為達到上述目的，本發明采用的技術方案是:一種利用豆渣制備鈉離子電池電極碳材料的方法，它包括以下步驟:
Ca)將濃硫酸溶于去離子水中形成硫酸溶液，向其中加入豆渣粉末置于高壓釜中在150~250°C預碳化24~50小時，對所得產物進行多次抽濾，取濾渣干燥后置于惰性氣體氣氛中在400~1000°C碳化1~5小時得碳化產物；
(b)在0~5°C下，取高錳酸鉀溶于濃硫酸/濃硝酸的混合溶液中；隨后向其中加入所述碳化產物，在30~50°C反應2~5小時；隨后向其中加入去離子水，繼續反應2~5小時；再向其中加入雙氧水，反應至不產生氣泡；用稀鹽酸清洗多次得剝離產物溶液；
(c)用去離子水稀釋所述剝離產物溶液，隨后向其中加入乙二胺在60~90°C反應3~10小時即可。
[0007]優化地，步驟(a)中，所述濃硫酸與所述去離子水的體積比為2~5:20~100，所述豆渣粉與所述濃硫酸的比例為l~5g:2~5ml。
[0008]優化地，步驟(b)中，所述濃硫酸與所述濃硝酸的體積比為1.5~3:1，所述高錳酸鉀、所述濃硝酸、所述去離子水和所述碳化產物的比例為5~10g:5~15ml:50~250ml:l~3g,所述稀鹽酸的質量分數為5~15%。
[0009]優化地，步驟(c)中，所述稀釋后的剝離產物溶液的濃度為0.5~5mg/ml，所述剝離產物溶液與所述乙二胺的體積比為50~100ml:100-200 μ I。
[0010]優化地，步驟(a)中，所述高壓釜內膽為聚四氟乙烯材質。
[0011]優化地，所述步驟(a)中，取濾渣干燥后置于惰性氣體流量為100~500sccm的管式爐中。
[0012]由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點:本發明利用豆渣制備鈉離子電池電極碳材料的方法，利用廢棄物豆渣來制備碳材料，產生了意想不到的效果:制備出質量較好的石墨烯，降低了成本的同時無污染產生，過程較為簡單，有利于保護環境，即有利于拓寬石墨烯的制備原料，可廣泛地應用于工業化生產當中。
【附圖說明】
[0013]附圖1為實施例1中制得的鈉離子電池電極碳材料的掃描電鏡圖；
附圖2為實施例1中制得的鈉離子電池電極碳材料組裝成鈉離子電池后測得的電化學性能圖；
附圖3為實施例2中制得的鈉離子電池電極碳材料的掃描電鏡圖；
附圖4為實施例3中制得的鈉離子電池電極碳材料的掃描電鏡圖。
【具體實施方式】
[0014]本發明利用豆渣制備鈉離子電池電極碳材料的方法，它包括以下步驟:(a)將濃硫酸溶于去離子水中形成硫酸溶液，向其中加入豆渣粉末置于高壓釜中在150~250°C預碳化24~50小時，對所得產物進行多次抽濾，取濾渣干燥后置于惰性氣體氣氛中在400~1000°C碳化1~5小時得碳化產物；利用硫酸實現對豆渣粉的脫水和預碳化；(b)在0-50C下，取高錳酸鉀溶于濃硫酸/濃硝酸的混合溶液中，由于高錳酸鉀、濃硫酸/濃硝酸均是氧化性非常強的物質，為了避免其劇烈反應，需要置于低溫下操作；隨后向其中加入所述碳化產物，在30~50°C反應2~5小時，對碳化得到的產物進行剝離；隨后向其中加入去離子水，繼續反應2~5小時；再向其中加入雙氧水，反應至不產生氣泡，從而利用雙氧水去除多余的高錳酸鉀；用稀鹽酸清洗多次得剝離產物溶液，利用稀鹽酸能夠去除SO/—等離子，避免其對后續步驟產生影響；(c)用去離子水稀釋所述剝離產物溶液，隨后向其中加入乙二胺在60~90°C反應3~10小時即可，對剝離產物進行還原從而能夠形成價格昂貴的石墨烯。該方法的工藝步驟簡單，降低了成本的同時無污染產生，有利于保護環境；同時有利于拓寬石墨烯的制備原料，可廣泛地應用于工業化生產當中。
[0015]步驟(a)中，所述濃硫酸與所述去離子水的體積比優選為2~5:20~100，所述豆渣粉與所述濃硫酸的比例優選為l~5g:2~5ml。步驟(b)中，所述濃硫酸與所述濃硝酸的體積比優選為1.5~3:1，所述濃硫酸與所述濃硝酸的體積比為1.5~3:1，所述高錳酸鉀、所述濃硝酸、所述去離子水和所述碳化產物的比例為5~10g:5~15ml:50~250ml:l~3g ;所述稀鹽酸的質量濃度為5~15% ;步驟(c)中，所述稀釋后的剝離產物溶液的濃度優選為0.5~5mg/ml，所述剝離產物溶液與所述乙二胺的體積比優選為50~100ml:100-200 μ 1，需要注意的步驟(b)和步驟(C)的參數至關重要，并不是本領域技術人員通過有限次實驗可以獲得的，它們是相互影響的有機整體，通過對上述參數的調節和控制，能夠制備成高質量的石墨烯。
[0016]步驟(a)中，所述高壓釜內膽為聚四氟乙烯材質；取濾渣干燥后置于惰性氣體流量為100~500sccm的管式爐中。
[0017]下面將結合實施例對本發明進行進一步說明。
[0018]實施例1
本實施例提供一種利用豆渣制備鈉離子電池電極碳材料的方法，它包括以下步驟:
(a)將2.5ml的濃硫酸溶解于50ml去離子水中，超聲20分鐘得到硫酸溶液；將1.5g干燥后的豆渣粉末加入上述硫酸溶液溶液中，并放入聚四氟乙烯高壓反應釜里；把高壓反應釜放進高溫爐里在180°C加熱48小時進行預碳化