本發(fā)明涉及氣凝膠領(lǐng)域，具體涉及一種由面巾紙制備碳?xì)饽z的方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，由于人們對(duì)生活質(zhì)量及衛(wèi)生要求的不斷提高，生活用面巾紙的需求不斷增大。廢棄面巾紙的處理成為一種當(dāng)前急需解決的難題。與其他的可回收利用的廢紙(廢書(shū)，報(bào)紙，紙屑等)相比，面巾紙不僅使用量大，且回收難度大。故常見(jiàn)的廢棄面巾紙的處理方法只有燃燒發(fā)電，填埋等等。這些處理措施有的利用效率很低，有的處理成本高，不利于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，造成了一定的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問(wèn)題。

今社會(huì)工業(yè)化的迅猛發(fā)展，給我們的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生活帶來(lái)了前所未有的發(fā)展和進(jìn)步，與此同時(shí)也帶來(lái)了一系列的其他問(wèn)題，如資源不足，能源短缺，環(huán)境污染等。如何高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)地解決這些問(wèn)題，已然成為科學(xué)工作者們所面臨的重要研究課題。就各類(lèi)工業(yè)和生活污水處理而言，現(xiàn)有的處理技術(shù)中，吸附法具有操作簡(jiǎn)單、效率高、安全等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。目前常用的吸附材料有碳材料，各類(lèi)微納米材料、膜材料等。其中，碳材料主要包括活性炭，碳納米管，石墨烯等。這類(lèi)碳材料具有比較高的比表面積、優(yōu)異的吸附性能及較好的化學(xué)穩(wěn)定性等。然而在實(shí)際生產(chǎn)、生活中，該類(lèi)碳材料并不能很好地滿(mǎn)足這方面的需求。例如，活性炭的制備過(guò)程復(fù)雜，雖可實(shí)際應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，但相比較于碳納米管及石墨烯，它的吸附性能不具有優(yōu)勢(shì)。而對(duì)于碳納米管和石墨烯而言，它們的制備過(guò)程和生產(chǎn)成本都十分的高，不具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，碳材料也因其優(yōu)異的電學(xué)性能而廣泛地應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料中。

本著變廢為寶的環(huán)保理念，采用生活用廢棄面巾紙為原料，通過(guò)一系列簡(jiǎn)單的物理化學(xué)處理，合成出具有質(zhì)量輕、超疏水性、超吸附性等優(yōu)異特質(zhì)的三維碳?xì)饽z材料。該材料成功的應(yīng)用于快速、高效地吸附生活中常見(jiàn)的油污和有機(jī)污染物。這種集環(huán)保、低耗、高效于一身的碳材料，有望成功地應(yīng)用于現(xiàn)代化工業(yè)及家用污水處理系統(tǒng)中。同時(shí)，由于該碳?xì)饽z擁有較好的導(dǎo)電性，可進(jìn)一步將其利用在儲(chǔ)能鋰離子電池的負(fù)極材料中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種由面巾紙制備碳?xì)饽z的方法及應(yīng)用，由此方法得到的碳?xì)饽z具有成本低，質(zhì)量輕，疏水性好，導(dǎo)電性好，吸附性能優(yōu)異等特點(diǎn)，且該碳?xì)饽z可用于實(shí)際生產(chǎn)生活中的油污吸附處理及鋰離子電池負(fù)極材料中。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種由面巾紙制備碳?xì)饽z的方法，步驟如下：

(1)稱(chēng)取面巾紙，加純水?dāng)嚢?，之后加鹽酸繼續(xù)攪拌，經(jīng)離心洗滌后冷凍干燥，得白色柱狀材料；

(2)將所述白色柱狀材料在惰性氣體氛圍中進(jìn)行退火處理，即得所述碳?xì)饽z。

優(yōu)選地，所述面巾紙為廢棄面巾紙。

優(yōu)選地，所述步驟(1)中面巾紙與純水的質(zhì)量比為1：1；所述鹽酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)10％，所述鹽酸與純水的體積比為3：20。

優(yōu)選地，所述步驟(1)中加純水后利用電動(dòng)攪拌器進(jìn)行攪拌12h，然后在電磁攪拌器持續(xù)攪拌12h，之后加鹽酸繼續(xù)攪拌12h。

優(yōu)選地，所述步驟(2)中所述離心洗滌時(shí)的轉(zhuǎn)速為12000轉(zhuǎn)/min，冷凍干燥的時(shí)間為16h。

優(yōu)選地，所述步驟(2)中退火處理的條件為：氬氣氛圍中，850℃煅燒2h，升溫速率為10℃/min。

本發(fā)明還提供了由上述方法制備得到的碳?xì)饽z在油污吸附中的應(yīng)用。

本發(fā)明還提供了由上述方法制備得到的碳?xì)饽z在鋰離子電池中的應(yīng)用。

作為由本發(fā)明上述方法制備得到碳?xì)饽z在鋰離子電池中的應(yīng)用中的一個(gè)優(yōu)選方案，其中以n-甲基吡咯烷酮為溶劑，然后將碳?xì)饽z、乙炔黑、聚偏氟乙烯按質(zhì)量比8：1：1混合，研磨2h形成均勻的漿料，用刮刀涂布于銅箔上得到電極片，將電極片置于120℃中空干燥箱中干燥12h，裁成直徑為15mm的圓片，即得一種電極片。

本發(fā)明采用面巾紙作為原料，相比較于生活中的其他廢紙，如廢書(shū)，報(bào)紙，紙屑等，面巾紙具有一定的柔韌性，故在使其在水溶液中分散過(guò)程會(huì)稍微復(fù)雜?？梢酝ㄟ^(guò)使用物理的電動(dòng)攪拌器的使用，現(xiàn)將大面積的面巾紙攪碎成細(xì)小的碎片，然后再使用化學(xué)法處理。

傳統(tǒng)的加熱干燥過(guò)程中，面巾紙的分散物會(huì)“坍塌”團(tuán)聚在一起，這樣該材料就不具備疏松膨脹、密度小的特點(diǎn)。與熱干燥相反的是，可以通過(guò)冷凍干燥來(lái)保持除去其中的水分，同時(shí)保持該材料成三維氣凝膠狀，擁有疏松膨脹結(jié)構(gòu)和質(zhì)量輕等優(yōu)異特性。經(jīng)冷凍干燥處理后，可擁有較高的比表面積，吸附性能好，提高對(duì)油污的吸附能力。

作為吸附性材料，材料的疏水性尤為重要。因?yàn)椴牧显谖接臀鄣耐瑫r(shí)吸附了水分，那么其吸油性能會(huì)大大的減弱。所以如何保持該材料的疏水性是一個(gè)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。在制備該碳?xì)饽z的過(guò)程中，需要高溫退火處理。這就極易使材料表面的碳被氧化為含氧基團(tuán)，那么材料的疏水性能將得不到充分的保障?？梢酝ㄟ^(guò)在高溫退火之前，抽走系統(tǒng)中的氧氣，再填充惰性氣體。反復(fù)進(jìn)行該操作幾次，即可排出系統(tǒng)中的氧氣，保證碳?xì)饽z的疏水性。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過(guò)物理攪拌，冷凍干燥及高溫退火等方法成功制備出具有疏松膨脹結(jié)構(gòu)的三維碳?xì)饽z。通過(guò)掃描電子顯微鏡得知，該碳?xì)饽z主要由微米級(jí)帶狀的碳材料錯(cuò)綜交雜形成。相比較于其他類(lèi)似碳材料，此方法得到的碳?xì)饽z具有成本低，質(zhì)量輕，疏水性好，導(dǎo)電性好，吸附性能優(yōu)異等特點(diǎn)。該碳?xì)饽z可用于實(shí)際生產(chǎn)生活中的油污吸附處理及鋰離子電池負(fù)極材料中，這種集環(huán)保、低耗、廉價(jià)、高效于一身的碳材料，有望成功地應(yīng)用于現(xiàn)代化家用污水處理系統(tǒng)及鋰離子電池中。而本發(fā)明可采用廢棄面巾紙為原料，有利于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，解決了一定的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明碳?xì)饽z的掃描電子顯微鏡圖；其中圖a為低倍碳?xì)饽z的掃描電子顯微鏡圖，圖b為高倍碳?xì)饽z的掃描電子顯微鏡圖；

圖2為本發(fā)明碳?xì)饽z對(duì)于生活食用油、乙醇及丙酮的吸附性能比較圖；

圖3為本發(fā)明鋰離子電池性能測(cè)試結(jié)果分析圖；其中圖a為0.1c倍率下，碳?xì)饽z的充放電曲線；圖b為0.5c倍率下，循環(huán)穩(wěn)定性和庫(kù)倫效率；圖c為不同倍率下，碳?xì)饽z的循環(huán)性能。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例1：本發(fā)明碳?xì)饽z的制備

儀器：電子天平，ja3003，上海方瑞儀器有限公司；電動(dòng)攪拌器，os40-pro，scilogex公司；恒溫磁力攪拌器，df-101s，鄭州長(zhǎng)城科工茂有限公司；超聲波清洗器，kq-700de，昆山市超聲儀器有限公司；臺(tái)式高速離心機(jī)，tgl-16b，上海安亭科學(xué)儀器廠；冷凍干燥機(jī)，lab-1-80，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；高溫管式爐，otf-1200x，合肥科晶材料技術(shù)有限公司；真空泵，trp-12，北京北儀優(yōu)成真空技術(shù)有限公司；其他常規(guī)儀器：燒瓶，燒杯、量筒、石英管、離心管等。

一種由面巾紙制備碳?xì)饽z的方法，步驟如下：

(1)稱(chēng)取100mg面巾紙，放入100ml純水中，利用電動(dòng)攪拌器進(jìn)行攪拌12h，然后在電磁攪拌器持續(xù)攪拌12h；然后加入15ml鹽酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)10％)并繼續(xù)攪拌12h；之后12000轉(zhuǎn)/min離心洗滌，放入冷凍干燥機(jī)中干燥16h，得到白色柱狀材料；

(2)將該白色柱狀材料進(jìn)行退火處理：氬氣(或氮?dú)?氛圍中，850℃煅燒2h，升溫速率為10℃/min，最終得到黑色柱狀材料，即為碳?xì)饽z。

將上述碳?xì)饽z采用掃描電子顯微鏡對(duì)其進(jìn)行測(cè)試分析，如圖1所示，其中圖a顯示該碳?xì)饽z由許多的長(zhǎng)條狀物質(zhì)組成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；通過(guò)放大的掃描電鏡圖b可以看出，該長(zhǎng)條狀物質(zhì)有著近似于帶狀的形貌，且每根帶的長(zhǎng)度在幾十到幾百微米。由這些微米帶錯(cuò)綜交雜在一起而形成的碳?xì)饽z具有密度小，體積大，質(zhì)量輕的顯著特點(diǎn)。

實(shí)施例2：本發(fā)明碳?xì)饽z吸附生活油污的試驗(yàn)

鑒于處理污水的產(chǎn)品需要優(yōu)異的疏水親油性，將本發(fā)明碳?xì)饽z浸沒(méi)在燒杯的水中，該燒杯中的碳?xì)饽z表面出現(xiàn)了鏡面反射現(xiàn)象，充分證明了該材料具有優(yōu)良的疏水性能。

吸附生活油污的試驗(yàn)：首先將油污加入到一定體積的水中，溶液中出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象。為了使得吸附實(shí)驗(yàn)更加明顯，額外加入了具有鮮明顏色的蘇丹紅ⅲ試劑，蘇丹紅迅速在油污中擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，并與油污形成均勻的溶液。接著將本發(fā)明碳?xì)饽z加入到該混合溶液中。隨著碳?xì)饽z與該混合溶液接觸開(kāi)始，便迅速的吸收油污層。當(dāng)油污完全被吸收時(shí)，取出碳?xì)饽z，可以發(fā)現(xiàn)，瓶子中只剩下了水。該試驗(yàn)充分地證明了所獲得的碳?xì)饽z具有吸附生活油污的能力。為了更好地驗(yàn)證該材料的吸附性，以吸附的溶劑質(zhì)量與碳?xì)饽z自身重量比值為吸附性能指標(biāo)。通過(guò)分別吸附生活食用油，乙醇及丙酮的試驗(yàn)，得到如圖2所示結(jié)果。對(duì)于生活食用油，乙醇及丙酮，該碳?xì)饽z能吸附超乎自重一百多倍的溶劑。

實(shí)施例3：本發(fā)明碳?xì)饽z應(yīng)用于鋰離子電池組裝機(jī)測(cè)試

將本發(fā)明碳?xì)饽z、乙炔黑置于真空干燥箱中干燥，粘合劑采用pvdf(聚偏氟乙烯)。以n-甲基吡咯烷酮(nmp)為溶劑，然后將碳?xì)饽z、乙炔黑、粘合劑按質(zhì)量比8：1：1混合，研磨2h形成均勻的漿料，用刮刀涂布于銅箔上得到電極片初品，將電極片初品置于120℃中空干燥箱中干燥12h，裁成直徑為15mm的圓片，得電極片，將此制得的電極片組裝成半電池，然后進(jìn)行性能測(cè)試。

采用cr2016紐扣電池殼，電極片為正極，金屬鋰片為負(fù)極，聚丙烯微孔膜(celgard-2300)為隔膜，1mol/llipf6溶于ec(碳酸乙烯酯)/dmc(二甲基碳酸酯)(v:v＝1：1)溶液為電解液，在h2o、o2含量全部小于0.1ppm，氬氣保護(hù)的手套箱中進(jìn)行電池裝配。電池的性能測(cè)試主要由武漢landct2001a型電池測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，充放電電壓區(qū)間為0.01-3v，1c相當(dāng)于360ma/g。

通過(guò)恒電流充放電技術(shù)對(duì)該碳?xì)饽z材料的電化學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，如圖3所示，其中圖a展示了在小倍率0.1c(1c＝360mah/g)下的前5圈充放電曲線，該材料的初始放電比容量為800mah/g，之后穩(wěn)定在360mah/g左右，幾乎接近于碳材料的理論比容量375mah/g；

圖b展示了其在0.5c下60圈循環(huán)性能，首先在0.1c及0.2c活化幾圈，之后放電到60圈，其一直保持有250mah/g的比容量，展現(xiàn)了非常好的穩(wěn)定性；庫(kù)倫效率也一直保持在100％附近，說(shuō)明本發(fā)明碳?xì)饽z有很好的嵌入脫出鋰離子能力；

圖c展示了實(shí)施例1制備的碳?xì)饽z還在不同電流密度下的倍率性能測(cè)試，多孔碳材料在0.1c、0.2c、0.5c、1c、2c、5c下的放電比容量分別為372mah/g、307mah/g、254mah/g、211mah/g、170mah/g、105mah/g，大倍率性能優(yōu)異。經(jīng)歷了多次循環(huán)后又循環(huán)到0.1c，仍展示了330mah/g的放電比容量，表明本發(fā)明碳?xì)饽z結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，快速充電放電能力很好?？傊?，多孔碳材料展現(xiàn)了優(yōu)異的儲(chǔ)鋰能力，商業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用方面有著潛在的利用價(jià)值。