ES2983890A1 - METHOD FOR OBTAINING GRAPHENE MATERIALS FROM A LOW TEMPERATURE COKE (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Método de obtención de materiales grafénicos a partir de un coque de baja temperaturaMethod for obtaining graphene materials from a low-temperature coke
Esta invención se sitúa dentro del sector de la industria petroquímica y carboquímica, en el campo de los procesados de materiales para preparar materiales grafénicos, tanto óxidos de grafeno como grafenos. Las aplicaciones de interés son muy variadas e incluyen numerosos sectores (imagen, energía, etc.) ya que los materiales que se preparan a partir de esta invención pueden ser utilizados incluso en aplicaciones emergentes. This invention is situated within the petrochemical and carbochemical industry sector, in the field of materials processing to prepare graphene materials, both graphene oxides and graphenes. The applications of interest are very varied and include numerous sectors (image, energy, etc.) since the materials prepared from this invention can even be used in emerging applications.
ESTADO DE LA TECNICASTATE OF THE TECHNIQUE
El grafeno es una lámina de carbono con hibridación sp2 y espesor monoatómico que presenta unas propiedades mecánicas y electrónicas extraordinarias, objeto de estudio en los últimos años (US8066964B2). Graphene is a carbon sheet with sp2 hybridization and monatomic thickness that has extraordinary mechanical and electronic properties, the subject of study in recent years (US8066964B2).
Su aplicación se dirige a numerosos sectores, como conversión y almacenamiento de energía, síntesis orgánica catalítica, purificación de agua, etc. (Camblor et al. J. Electromag. Waves Appl. 2011,25(14-15), 1921-1929; González et al. Carbon, 2012, 50 (3),828-834, US2010/0176337). Por todo ello la síntesis, particularmente aquella destinada a la producción en grandes cantidades que permitan satisfacer esta gran demanda social, es aún hoy en día un tema de gran interés y un reto aún a superar. Hoy en día, uno de los métodos más aceptados de preparación de grafenos a gran escala (escala industrial) es la vía química, que implica una oxidación inicial del material de partida, usualmente grafito, que genera un óxido de grafito de estructura tipo grafito tridimensional, pero con sus láminas oxidadas tanto en bordes como en planos basales y las láminas más separadas entre sí. De esta manera, la exfoliación de dichas láminas para dar lugar al óxido de grafeno se produce de forma más sencilla que en el caso del grafito y por tanto más aplicable a nivel industrial. Its application is directed to numerous sectors, such as energy conversion and storage, catalytic organic synthesis, water purification, etc. (Camblor et al. J. Electromag. Waves Appl. 2011,25(14-15), 1921-1929; González et al. Carbon, 2012, 50 (3),828-834, US2010/0176337). For all these reasons, synthesis, particularly that aimed at large-scale production to satisfy this great social demand, is still today a topic of great interest and a challenge yet to be overcome. Today, one of the most accepted methods for preparing graphene on a large scale (industrial scale) is the chemical route, which involves an initial oxidation of the starting material, usually graphite, which generates a graphite oxide with a three-dimensional graphite-type structure, but with its sheets oxidized both at the edges and at the basal planes and the sheets more separated from each other. In this way, the exfoliation of these sheets to give rise to graphene oxide occurs more easily than in the case of graphite and is therefore more applicable at an industrial level.
Los métodos de oxidación del grafito se conocen desde hace más de un siglo (Staudenmaier et al. Chem. Ges., 1898, 31, 1481-1487) en donde ya se describe la formación de óxido de grafito mediante oxidación del mismo con ácido nítrico concentrado, ácido sulfúrico concentrado y clorato potásico. Esta metodología ha sido ampliamente estudiada y sobre todo mejorada, principalmente con vistas a reducir la peligrosidad y dificultades de manejo de los reactivos utilizados. Uno de los más utilizados hoy en día es el denominado "método de Hummers” que utiliza para el tratamiento del grafito nitrato de sodio, permanganato potásico y ácido sulfúrico concentrado (Hummers et al. J. Am. Chem. Soc., 1958, 80 (6), 1339-1339) o alguna de sus múltiples variantes en las que principalmente se cambian las proporciones de los reactivos utilizados (WO2011/016889A2, Botas et al. Carbon, 2012, 50 (1), 275-282). Methods for graphite oxidation have been known for over a century (Staudenmaier et al. Chem. Ges., 1898, 31, 1481-1487) where the formation of graphite oxide by oxidation with concentrated nitric acid, concentrated sulfuric acid and potassium chlorate was already described. This methodology has been widely studied and, above all, improved, mainly with a view to reducing the danger and handling difficulties of the reagents used. One of the most widely used today is the so-called "Hummers method" which uses sodium nitrate, potassium permanganate and concentrated sulfuric acid for the treatment of graphite (Hummers et al. J. Am. Chem. Soc., 1958, 80 (6), 1339-1339) or some of its many variants in which mainly the proportions of the reagents used are changed (WO2011/016889A2, Botas et al. Carbon, 2012, 50 (1), 275-282).
Hoy en día existe una gran concienciación hacia el uso de recursos naturales. A este respecto hay que tener en cuenta que el grafito es un recurso natural que se ve condicionado por su escasa disponibilidad (China, India, etc.) y localización (aspectos geopolíticos). Hay algunos ejemplos de utilización como materiales de partida de grafeno, otros materiales más sofisticados como las nanofibras de carbono y segmentos cortos de fibras de carbono grafiticas (US2009/0028778A1). Sin embargo, la descarbonización de la industria energética petroquímica y carboquímica hace que esta esté pujando ampliamente hacia la utilización de sus subproductos (como coques fundamentalmente) como materiales alternativos al grafito para preparar materiales grafénicos. Nowadays, there is a great awareness towards the use of natural resources. In this respect, it must be taken into account that graphite is a natural resource that is conditioned by its scarce availability (China, India, etc.) and location (geopolitical aspects). There are some examples of its use as starting materials for graphene, other more sophisticated materials such as carbon nanofibres and short segments of graphitic carbon fibres (US2009/0028778A1). However, the decarbonisation of the petrochemical and carbochemical energy industry means that it is widely pushing towards the use of its by-products (mainly cokes) as alternative materials to graphite to prepare graphene materials.
Determinados coques industriales poseen una estructura tridimensional semejante a la del grafito (constituida por láminas apiladas de carbono con hibridación sp2) pero con un mayor número de defectos debido principalmente a que son obtenidos a mucho más baja temperatura (500-1000°C). Son considerados materiales pregrafíticos (si se calientan a temperaturas de grafitización, de 2500-3000°C dan lugar a grafitos) y se conoce su utilización como precursores de otro tipo de materiales, como carbones activados, campo este último ampliamente desarrollado y que implica una activación física o química (esta última por ejemplo con impregnación básica -NaOH, KOH etc. y posterior tratamiento a alta temperatura en torno a los 300-400°C que es el que produce la estructura tridimensional porosa objetivo en este tipo de materiales (Deng et al., Journal of Inorganic Materials 2014, 29(3): 245-249, Zhu et al. Taiwan Association for Aerosol Research, 2020, , 21, 4, 200540). Otro tipo de materiales obtenidos a partir de los coques, diferentes a los carbones activados en su morfología y por tanto en sus propiedades son los materiales grafénicos. Usualmente los coques se tienen que someter a un tratamiento previo de ordenamiento (grafitización, tratamiento térmico a temperaturas en torno a los 3000°C), pero cuestiones principalmente de sostenibilidad han hecho que se desarrollen ya materiales grafénicos directamente a partir de los coques, con algunos ejemplos ya en la bibliografía. En la solicitud de patente WO 2014/140399 la preparación de los materiales grafénicos se hace utilizando directamente los coques petroquímicos y carboquímicos. Estos se someten a un proceso tipo Hummers en el que las cantidades de reactivos se modifican y da lugar a materiales grafénicos de propiedades semejantes a las de los materiales grafénicos obtenidos a partir de grafitos. Otros documentos ahondan en la capacidad de esta metodología para formar materiales grafénicos (Sierra et al. Fuel, 2016, 166, 400-403). Otras metodologías alternativas a la utilización de métodos de oxidación química (tipo Hummers) a partir de coques son por ejemplo exfoliación directa electroquímica (Saha et al. 2D Mater Appl, 2021, 5, 75) o con surfactantes (US20170370009A1), exfoliación con disolvente (WO/2014/140399) también combinado este último método con la utilización de agentes surfactantes (US2017369320A1) o con métodos de exfoliación térmica (Sun, et al. Metall. Res. Technol., 2020, 117, 6, 605). Certain industrial cokes have a three-dimensional structure similar to that of graphite (made up of stacked sheets of carbon with sp2 hybridization) but with a greater number of defects, mainly due to the fact that they are obtained at a much lower temperature (500-1000°C). They are considered pre-graphitic materials (if heated to graphitization temperatures of 2500-3000°C they give rise to graphite) and their use as precursors of other types of materials, such as activated carbons, is known. This latter field is widely developed and involves physical or chemical activation (the latter for example with basic impregnation -NaOH, KOH etc. and subsequent treatment at high temperature around 300-400°C which is what produces the objective porous three-dimensional structure in this type of materials (Deng et al., Journal of Inorganic Materials 2014, 29(3): 245-249, Zhu et al. Taiwan Association for Aerosol Research, 2020, , 21, 4, 200540). Another type of materials obtained from cokes, different from activated carbons in their morphology and therefore in their properties, are graphene materials. Usually cokes have to be The graphene materials can be prepared using cokes, but they can be subjected to a prior ordering treatment (graphitization, heat treatment at temperatures around 3000°C), but mainly sustainability issues have led to the development of graphene materials directly from cokes, with some examples already in the literature. In patent application WO 2014/140399, the preparation of graphene materials is done using petrochemical and carbochemical cokes directly. These are subjected to a Hummers-type process in which the quantities of reagents are modified and give rise to graphene materials with properties similar to those of graphene materials obtained from graphites. Other documents delve into the capacity of this methodology to form graphene materials (Sierra et al. Fuel, 2016, 166, 400-403). Other alternative methodologies to the use of chemical oxidation methods (Hummers type) from cokes are, for example, direct electrochemical exfoliation (Saha et al. 2D Mater Appl, 2021, 5, 75) or with surfactants (US20170370009A1), solvent exfoliation (WO/2014/140399) also combining this last method with the use of surfactant agents (US2017369320A1) or with thermal exfoliation methods (Sun, et al. Metall. Res. Technol., 2020, 117, 6, 605).
También se ha descrito la utilización de coques para la preparación de otros materiales nanométricos de carbono diferentes, como los puntos cuánticos (Ye et al. Nature Communications, 2013, 4, 2943), lo que pone de evidencia la versatilidad de este tipo de materiales para ser precursores de materiales de carbono nanométricos. The use of cokes for the preparation of other different nanometric carbon materials, such as quantum dots, has also been described (Ye et al. Nature Communications, 2013, 4, 2943), which highlights the versatility of this type of materials to be precursors of nanometric carbon materials.
Es sin embargo conocido que la estructura y propiedades de los coques dependen del precursor utilizado (por ejemplo, origen carboquímico o petroquímico) y de las condiciones de obtención, muchas veces marcadas por el producto principal a obtener en su síntesis (muchos coques son subproductos de industria petro y carboquímica). En líneas generales, los coques menos ordenados en su estructura cristalina (relacionada directamente como se ha visto con su capacidad de generar materiales grafénicos) se obtienen a más bajas temperaturas (por debajo de los 1000°C, y son tanto menos ordenados cuanto menor sea la temperatura de tratamiento. Se habla en este caso de coque verde. El material en estos coques no ordenados es sin embargo susceptible de reaccionar con los reactivos propios de la vía química para formar grafenos (tipo Hummers o similares), lo que plantea problemas en la preparación de este tipo de materiales. Lo mismo ocurre con aquellos coques que tienen en su composición un alto contenido de elementos no carbonosos, como azufre o elementos metálicos. Este tipo de elementos son característicos en cierto tipo de coques por ejemplo de petróleo (coque combustible). Esto hace que en determinadas ocasiones la utilización de coques verdes para preparar materiales grafénicos mediante la vía química pueda plantear problemas, como por ejemplo deflagraciones. It is however known that the structure and properties of cokes depend on the precursor used (for example, carbochemical or petrochemical origin) and the conditions of production, often determined by the main product to be obtained in its synthesis (many cokes are by-products of the petro and carbochemical industry). In general terms, cokes with less order in their crystalline structure (directly related, as we have seen, to their capacity to generate graphene materials) are obtained at lower temperatures (below 1000°C), and are less ordered the lower the treatment temperature. In this case, we speak of green coke. The material in these unordered cokes is, however, susceptible to reacting with the reagents of the chemical route to form graphene (Hummers type or similar), which poses problems in the preparation of this type of material. The same occurs with those cokes that have a high content of non-carbon elements in their composition, such as sulfur or metallic elements. These types of elements are characteristic of certain types of cokes, for example petroleum coke (fuel coke). This means that on certain occasions the use of green cokes to prepare graphene materials by the chemical route can pose problems, such as deflagrations.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente invención describe un método de obtención de un producto seleccionado del grupo que consiste en óxido de coque, óxido de grafeno y grafeno, caracterizado porque comprende transformar (al menos) un material pregrafítico tipo coque de baja temperatura o coque verde, sin tratamiento de grafitización y mediante la vía química. The present invention describes a method of obtaining a product selected from the group consisting of coke oxide, graphene oxide and graphene, characterized in that it comprises transforming (at least) one pre-graphitic material of the low-temperature coke or green coke type, without graphitization treatment and by the chemical route.
Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un método de obtención de un óxido de coque verde a partir de coque verde, caracterizado porque comprende los siguientes pasos: A first aspect of the present invention relates to a method of obtaining a green coke oxide from green coke, characterized in that it comprises the following steps:
a. tratar el coque en medio básico a pH por encima de 7; a. treat the coke in a basic medium at pH above 7;
b. tratar el sólido obtenido en el paso (a) en medio ácido a un pH por debajo de 5; y b. treating the solid obtained in step (a) in an acidic medium at a pH below 5; and
c. oxidar por vía química el sólido obtenido en el paso (b), c. chemically oxidize the solid obtained in step (b),
con la condición que en el método de la invención no se lleva a cabo un tratamiento de grafitización del coque verde, es decir, sin un tratamiento térmico previo al paso (a) de unos 2500-3000°C. with the proviso that in the method of the invention a graphitization treatment of the green coke is not carried out, that is, without a heat treatment prior to step (a) of about 2500-3000°C.
El término "coque verde” en la presente invención se refiere a un material pregrafítico obtenido a una temperatura inferior a 900, preferiblemente inferior a 700°C. Los coques verdes pueden obtenerse de diferentes formas y a partir de diversos precursores. Pueden ser coques de petróleo, procedentes de residuos de petróleo; coques carboquímicos procedentes de breas cuyo origen es el alquitrán de hulla; o coques sintéticos obtenidos a partir de derivados altamente aromáticos tal como, por ejemplo, aceite de antraceno o naftaleno. Al obtenerse a baja temperatura (<900°C), se deteriora su ordenamiento cristalino y aumenta su contenido en otros elementos distintos al carbono. The term "green coke" in the present invention refers to a pregraphitic material obtained at a temperature below 900, preferably below 700 °C. Green cokes can be obtained in different ways and from various precursors. They can be petroleum cokes, derived from petroleum residues; carbochemical cokes derived from pitches originating from coal tar; or synthetic cokes obtained from highly aromatic derivatives such as, for example, anthracene oil or naphthalene. When obtained at low temperatures (<900 °C), their crystalline order is deteriorated and their content of elements other than carbon increases.
Los materiales pregrafíticos de la presente invención, a diferencia de materiales pregrafíticos más ordenados y de composición más carbonosa, se obtienen a menores temperaturas de preparación lo que lleva a una estructura cristalina menos ordenada y una composición con alto contenido en otros elementos distintos al carbono, y puede incluir elementos metálicos (cenizas). Al igual que otros materiales pregrafíticos obtenidos a mayores temperaturas (>900°C), son buenos precursores de grafitos a través de tratamientos térmicos a temperaturas en torno a 2500-2800 °C. Sin embargo, la preparación de materiales grafénicos a partir de ellos mediante la vía química plantea problemas de elevada reactividad (ver ejemplo 2). Por lo que se desaconseja su uso o, de poder realizarse, presentaría problemas técnicos adicionales que dificultarían su implantación a escala industrial debido a ese aumento de la reactividad durante su procesado. The pregraphitic materials of the present invention, unlike more ordered pregraphitic materials with a more carbonaceous composition, are obtained at lower preparation temperatures, which leads to a less ordered crystalline structure and a composition with a high content of elements other than carbon, and may include metallic elements (ash). Like other pregraphitic materials obtained at higher temperatures (>900°C), they are good precursors of graphite through heat treatments at temperatures around 2500-2800 °C. However, the preparation of graphene materials from them by the chemical route poses problems of high reactivity (see example 2). Therefore, their use is not recommended or, if it could be carried out, it would present additional technical problems that would make their implementation on an industrial scale difficult due to this increase in reactivity during processing.
Por "material grafénico” en la presente invención se refiere a producto seleccionado de entre óxido de coque, óxido de grafeno o grafeno. By "graphenic material" in the present invention is meant a product selected from coke oxide, graphene oxide or graphene.
Los materiales pregrafíticos de baja temperatura están disponibles comercialmente, son muy abundantes y su fabricación es mucho más barata que la de grafito sintético. Low-temperature pregraphitic materials are commercially available, abundant, and much cheaper to manufacture than synthetic graphite.
Además, este tipo de materiales son subproductos no solo de la industria energética sino para la producción de materiales de alto valor añadido. El interés económico de la implantación del método de la presente invención es, pues, muy alto. Furthermore, these types of materials are by-products not only of the energy industry but also for the production of high added value materials. The economic interest of implementing the method of the present invention is therefore very high.
En otra realización preferida de la invención, el método de obtención de óxido de coque comprende un paso previo al paso (a) de molienda o tamizado del coque verde. Preferiblemente, coque verde tras este tratamiento tiene un tamaño de partícula entre 70-100 micras (^m) medido mediante determinación por tamizado o Coulter. En el método de la presente invención también puede utilizarse el coque verde sin controlar el tamaño de partícula, en este caso podrían ser necesarios tiempos de reacción más largos. In another preferred embodiment of the invention, the method for obtaining coke oxide comprises a step prior to step (a) of grinding or sieving the green coke. Preferably, the green coke after this treatment has a particle size between 70-100 microns (^m) measured by sieving or Coulter determination. In the method of the present invention, green coke can also be used without controlling the particle size, in which case longer reaction times could be necessary.
En otra realización preferida, el medio básico del paso (a) es una disolución acuosa que comprende KOH o NaOH, preferiblemente a temperatura ambiente (es decir, entre aproximadamente 15-30°C) y con agitación. El medio acuoso puede ser de agua destilada, agua desionizada, agua miliQ o de cualquier otra pureza, así como otros disolventes polares. In another preferred embodiment, the basic medium of step (a) is an aqueous solution comprising KOH or NaOH, preferably at room temperature (i.e., between about 15-30°C) and with stirring. The aqueous medium may be distilled water, deionized water, milliQ water or any other purity, as well as other polar solvents.
En una realización aún más preferida, posterior al paso (a) se lleva a cabo una purificación del sólido obtenido, el purificado del sólido obtenido por este tratamiento básico puede realizarse mediante lavado, filtración, centrifugación, ultracentrifugación o diálisis. preferiblemente mediante filtración y lavado con agua. In an even more preferred embodiment, after step (a) a purification of the solid obtained is carried out. The purification of the solid obtained by this basic treatment can be carried out by washing, filtration, centrifugation, ultracentrifugation or dialysis, preferably by filtration and washing with water.
En otra realización preferida, la presente invención comprende como paso b) un tratamiento ácido posterior al básico, donde el medio ácido del paso (b) es una disolución acuosa que comprende HNO3, H2SO4 o HCl. El medio acuoso puede ser de agua destilada, agua desionizada, agua miliQ o de cualquier otra pureza, así como otros disolventes polares. In another preferred embodiment, the present invention comprises as step b) an acid treatment after the basic treatment, where the acid medium of step (b) is an aqueous solution comprising HNO3, H2SO4 or HCl. The aqueous medium may be distilled water, deionized water, milliQ water or any other purity, as well as other polar solvents.
En una realización aún más preferida este tratamiento ácido en medio acuoso puede realizarse a reflujo a una temperatura de unos 100°C, aunque pudieran utilizarme métodos alternativos como reacción en ultrasonidos en autoclave, u otros métodos conocidos por un experto en la materia. In an even more preferred embodiment, this acid treatment in aqueous medium can be carried out under reflux at a temperature of about 100°C, although alternative methods such as ultrasonic reaction in an autoclave, or other methods known to a person skilled in the art, could be used.
En una realización aún más preferida, posterior al paso (b) se lleva a cabo una purificación del sólido obtenido, el purificado de este tratamiento ácido puede realizarse mediante lavado, filtración, centrifugación, ultracentrifugación o diálisis. preferiblemente mediante filtración y lavado con agua. In an even more preferred embodiment, after step (b) a purification of the solid obtained is carried out. The purification of this acid treatment can be carried out by washing, filtration, centrifugation, ultracentrifugation or dialysis, preferably by filtration and washing with water.
En una realización preferida la oxidación del paso c) comprende el tratamiento del sólido obtenido en el paso b) para obtener óxido de coque en medio acuoso, preferiblemente agua destilada, agua desionizada, agua miliQ o de cualquier otra pureza, utilizando como reactivos preferiblemente la lista que consiste en nitrato sódico, permanganato potásico, ácido sulfúrico, agua oxigenada o cualquiera de sus combinaciones, preferiblemente la oxidación se lleva a cabo con permanganato sódico y posteriormente con agua oxigenada y más preferiblemente a una temperatura de entre 30 y 45°C. In a preferred embodiment, the oxidation of step c) comprises the treatment of the solid obtained in step b) to obtain coke oxide in an aqueous medium, preferably distilled water, deionized water, milliQ water or any other purity, preferably using as reagents the list consisting of sodium nitrate, potassium permanganate, sulfuric acid, hydrogen peroxide or any combination thereof, preferably the oxidation is carried out with sodium permanganate and subsequently with hydrogen peroxide and more preferably at a temperature between 30 and 45°C.
En una realización aún más preferida, el método de la presente invención utiliza relaciones en peso de coque/ permanganato de potasio de entre 1/6 a 1/3 dependiendo del coque. Los volúmenes de reacción preferentes se corresponden con un 20 vol% de ácido sulfúrico y un 80 vol% de agua oxigenada al 3%, siendo los porcentajes en volumen expresados respecto al volumen total de reacción, o también un 20 vol % de ácido sulfúrico y un 8 vol% de agua oxigenada y 72 vol% de agua destilada, de nuevo expresados respecto al volumen total de la reacción, pudiendo variarse estas proporciones dependiendo preferentemente de las características del material de partida. In an even more preferred embodiment, the method of the present invention uses coke/potassium permanganate weight ratios of between 1/6 and 1/3 depending on the coke. The preferred reaction volumes correspond to 20 vol% sulfuric acid and 80 vol% 3% hydrogen peroxide, the volume percentages being expressed with respect to the total reaction volume, or also 20 vol% sulfuric acid and 8 vol% hydrogen peroxide and 72 vol% distilled water, again expressed with respect to the total reaction volume, these proportions being able to be varied preferably depending on the characteristics of the starting material.
En otra realización preferida, el método de obtención de óxido de coque comprende la separación del óxido obtenido en el paso (c) del material pregrafítico o coque no oxidado. Preferentemente esta separación se puede realizar mediante lavado, filtración, centrifugación, ultracentrifugación o diálisis y posterior decantación del sobrenadante. Si no es posible separar el material oxidado sólido por centrifugación, se puede realizar la separación solamente por ultracentrifugación, preferiblemente a velocidades elevadas, de hasta 11500 rpm, o diálisis. In another preferred embodiment, the method for obtaining coke oxide comprises separating the oxide obtained in step (c) from the pregraphitic material or unoxidized coke. Preferably, this separation can be carried out by washing, filtration, centrifugation, ultracentrifugation or dialysis and subsequent decantation of the supernatant. If it is not possible to separate the solid oxidized material by centrifugation, the separation can be carried out only by ultracentrifugation, preferably at high speeds, up to 11,500 rpm, or dialysis.
En una realización aún más preferida, esta purificación o separación tiene lugar mediante la repetición de las secuencias de separación de los óxidos anteriormente mencionada, previa adición de agua, que puede ser desionizada o de otra pureza. Repitiendo esta secuencia de forma reiterada hasta que el agua separada por decantación tenga pH neutro. In an even more preferred embodiment, this purification or separation takes place by repeating the sequences for separating the oxides mentioned above, after adding water, which may be deionized or of another purity. This sequence is repeated repeatedly until the water separated by decantation has a neutral pH.
Otro aspecto de la presente invención se refiere a un método para la obtención de óxido de grafeno a partir de coque verde que comprende los pasos (a) a (c) del método de obtención del óxido de coque descrito previamente; y Another aspect of the present invention relates to a method for obtaining graphene oxide from green coke comprising steps (a) to (c) of the method for obtaining coke oxide described previously; and
d. exfoliar el óxido de coque obtenido en el paso (c). d. exfoliate the coke oxide obtained in step (c).
La exfoliación del óxido de coque se lleva a cabo mediante separación laminar por cualquiera de los procedimientos conocidos por cualquier experto en la materia, como por ejemplo mediante tratamiento térmico, exfoliación con disolvente, o ultrasonidos. The exfoliation of coke oxide is carried out by laminar separation using any of the procedures known to any expert in the field, such as heat treatment, solvent exfoliation, or ultrasound.
En una realización aún más prefería, la exfoliación de los óxidos de coque verde tiene lugar mediante tratamiento en ultrasonidos. Preferiblemente, durante periodos comprendidos entre 30 minutos y ocho horas para producir el óxido de grafeno correspondiente. In an even more preferred embodiment, the exfoliation of the green coke oxides takes place by ultrasonic treatment, preferably for periods between 30 minutes and eight hours to produce the corresponding graphene oxide.
El método descrito en esta solicitud de patente permite obtener óxidos de grafeno procedentes de coque verde principalmente monocapa/bicapa con una altura que está en torno a los 1,4-3 nm y con tamaños perimetrales que varían entre los 200 y los 800 nanómetros principalmente, determinado mediante análisis de los materiales obtenidos por microscopía de fuerza atómica (AFM). Estos valores pueden variar en función del coque verde de partida. El número de átomos de oxígeno por cada 100 átomos de carbono en cada material se sitúan preferentemente en torno a los 20-25 átomos, valor que se corresponde con los de los óxidos de grafeno preparados a partir de grafitos. The method described in this patent application makes it possible to obtain graphene oxides from mainly monolayer/bilayer green coke with a height of around 1.4-3 nm and with perimeter sizes varying mainly between 200 and 800 nanometers, determined by analysis of the materials obtained by atomic force microscopy (AFM). These values may vary depending on the starting green coke. The number of oxygen atoms per 100 carbon atoms in each material is preferably around 20-25 atoms, a value that corresponds to that of graphene oxides prepared from graphite.
En aquellos casos en los que los coques verdes presenten un elevado contenido en elementos metálicos (análisis por ejemplo en cenizas), muchos de ellos de gran valor añadido (vanadio, níquel, hierro, etc.), estos elementos podrían obtenerse fácilmente de los subproductos de los tratamientos (a) y fundamentalmente del tratamiento (b). Más aún, dado que estas reacciones (tratamientos) se llevan a cabo con reactivos puros y no hay grandes cantidades de subproductos de oxidación del coque verde, este método puede utilizarse para recuperar fácilmente este tipo de elementos de alto valor añadido y de forma más sencilla que utilizando los sobrenadantes del paso de oxidación (paso (c) de la presente invención). Esto, sin lugar a dudas constituye un avance significativo para el desarrollo sostenible de este tipo de materiales. In those cases where green cokes have a high content of metallic elements (analysis for example in ashes), many of them of high added value (vanadium, nickel, iron, etc.), these elements could be easily obtained from the by-products of the treatments (a) and fundamentally from the treatment (b). Furthermore, since these reactions (treatments) are carried out with pure reagents and there are no large quantities of oxidation by-products of the green coke, this method can be used to easily recover this type of high added value elements and in a simpler way than using the supernatants of the oxidation step (step (c) of the present invention). This undoubtedly constitutes a significant advance for the sustainable development of this type of materials.
Por tanto, en otra realización preferida, del sobrenadante obtenido en la purificación del sólido de los pasos (a) y/o (b) se recuperan metales procedentes del coque verde. Preferiblemente, de la purificación del paso (b) y aún más preferiblemente se recuperan metales de alto valor añadido como el vanadio, níquel o hierro. Therefore, in another preferred embodiment, metals from green coke are recovered from the supernatant obtained in the purification of the solid from steps (a) and/or (b). Preferably, from the purification of step (b) and even more preferably, high added value metals such as vanadium, nickel or iron are recovered.
Los óxidos de coque y óxidos de grafeno obtenidos también pueden utilizarse directamente en multitud de aplicaciones, como por ejemplo en catálisis, dispositivos de almacenamiento de energía, etc.. The coke oxides and graphene oxides obtained can also be used directly in a multitude of applications, such as in catalysis, energy storage devices, etc.
Otro aspecto de la presente invención se refiere a un método de obtención de grafeno que comprende los pasos: Another aspect of the present invention relates to a method of obtaining graphene comprising the steps:
a), b), c) y d) del método de obtención del óxido de grafeno descrito previamente, y e) reducir térmicamente el óxido de grafeno obtenido en el paso d) a grafeno. a), b), c) and d) of the method for obtaining graphene oxide described previously, and e) thermally reducing the graphene oxide obtained in step d) to graphene.
La reducción del óxido de coque u óxido de grafeno en el paso (e) para dar lugar al grafeno correspondiente, puede llevarse a cabo por cualquier metodología de reducción, como reducción química, con hidrógeno, electroquímica, etc. e incluso combinaciones de ellas. Procesos conocidos por cualquier experto en la materia (por ejemplo véase WO2011/016889A2). The reduction of coke oxide or graphene oxide in step (e) to give rise to the corresponding graphene can be carried out by any reduction methodology, such as chemical reduction, with hydrogen, electrochemical, etc. and even combinations thereof. Processes known to any expert in the field (for example see WO2011/016889A2).
En el paso e) del método de la presente invención se pueden utilizar temperaturas en el rango de 800 a 2800 °C, con tiempos de residencia diferentes de más de 10h, con rampas de calentamiento 0,1 °C minutos-1 a 100 °C minutos -1, en atmósfera inerte, por ejemplo nitrógeno, argón o combinaciones de gases inertes con gases reductores como hidrógeno. In step e) of the method of the present invention, temperatures in the range of 800 to 2800 °C can be used, with different residence times of more than 10 h, with heating ramps of 0.1 °C minutes-1 to 100 °C minutes-1, in an inert atmosphere, for example nitrogen, argon or combinations of inert gases with reducing gases such as hydrogen.
En una realización preferida, en el paso e) del método de la presente invención se utilizan temperaturas en el rango de 800-1000 °C, con rampas de calentamiento en torno a los 1-30 °C minutos-1, preferiblemente con tiempos de residencia a la temperatura final de entre 5 min a 2 horas y la utilización de atmósferas inertes como, por ejemplo, nitrógeno. In a preferred embodiment, in step e) of the method of the present invention, temperatures in the range of 800-1000 °C are used, with heating ramps around 1-30 °C minute-1, preferably with residence times at the final temperature of between 5 min and 2 hours and the use of inert atmospheres such as, for example, nitrogen.
El método descrito en la presente invención permite obtener, preferentemente, grafenos en forma de monocapas por reducción térmica de los óxidos de coque verde (u óxidos de grafeno) a distintas temperaturas. The method described in the present invention allows obtaining, preferably, graphenes in the form of monolayers by thermal reduction of green coke oxides (or graphene oxides) at different temperatures.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y figuras se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención. Throughout the description and claims the word "comprises" and its variants are not intended to exclude other technical features, additives, components or steps. For those skilled in the art, other objects, advantages and features of the invention will become apparent partly from the description and partly from the practice of the invention. The following examples and figures are provided by way of illustration, and are not intended to be limiting of the present invention.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURASBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Fig. 1 :Muestra la curva TG (línea continua) y DTG (línea discontinua) del coque verde utilizado como producto de partida. Fig. 1: Shows the TG (solid line) and DTG (dashed line) curves of the green coke used as a starting product.
Fig. 2 :Muestra el análisis termogravimétrico de coque tratado CK-B+A. Fig. 2: Shows the thermogravimetric analysis of treated coke CK-B+A.
Fig. 3: (a) Muestra medidas AFM y (b) perfil de alturas de microscopía de fuerza atómica del material CKrO-B+A. Fig. 3: (a) AFM measurements and (b) atomic force microscopy height profile of the CKrO-B+A material.
Fig. 4: Muestra (a) medidas AFM y (b) perfil de altura de CKrO-B+A-Low. Fig. 4: Shows (a) AFM measurements and (b) height profile of CKrO-B+A-Low.
Fig. 5: Muestra (a) Imagen AFM y (b) perfil de altura de los materiales obtenidos con tratamiento previo a la oxidación sólo ácido y después de la purificación. Fig. 5: Sample (a) AFM image and (b) height profile of the materials obtained with only acid pre-oxidation treatment and after purification.
Fig. 6: Muestra Imágenes SEM (a)del coque tratado con base+ácido (CK-B+A), (b) el coque CK-B+A sometido a 8h de ultrasonidos y (c) el coque CK-B+A sometido a un proceso de flash pirólisis a 350°C. Fig. 6: SEM images show (a) the coke treated with base+acid (CK-B+A), (b) the CK-B+A coke subjected to 8h of ultrasound and (c) the CK-B+A coke subjected to a flash pyrolysis process at 350°C.
Fig. 7: Muestra la imagen SEM de un grafeno obtenido por reducción térmica hasta 1000°C de óxido de grafeno. Fig. 7: Shows the SEM image of a graphene obtained by thermal reduction up to 1000°C of graphene oxide.
Fig. 8: Muestra (a) imagen AFM y (b) perfil de altura de los materiales (por encima de altura de límite para ser considerado grafénico) obtenidos con tratamiento previo a la oxidación sólo básico y después de la purificación. Fig. 8: Sample (a) AFM image and (b) height profile of the materials (above the limit height to be considered graphenic) obtained with only basic pre-oxidation treatment and after purification.
EJEMPLOSEXAMPLES
A continuación, se describen una serie de ensayos realizados por los inventores, que son representativos de la efectividad del método de la invención para la utilización de materiales pregrafiticos de baja temperatura para la preparación de grafeno, óxido de grafeno u óxido de materiales pregrafíticos. Below, a series of tests carried out by the inventors are described, which are representative of the effectiveness of the method of the invention for the use of low-temperature pregraphitic materials for the preparation of graphene, graphene oxide or oxide of pregraphitic materials.
En todos los ejemplos se utiliza un coque verde de petróleo como material de partida denominado CK. Las caracterizaciones mediante análisis elemental de este coque se recogen en la Tabla 1 en la que destaca el contenido en carbono, del 90%, así como el contenido en N (2,6%) y S (0,7%). In all examples, a green petroleum coke called CK is used as the starting material. The characterizations by elemental analysis of this coke are shown in Table 1, where the carbon content of 90% stands out, as well as the content of N (2.6%) and S (0.7%).
Tabla 1: Análisis elemental y relación en peso carbono/oxígeno de los coques original (CK) y tratado según los distintos tratamientos seguidos en los ejemplos Table 1: Elemental analysis and carbon/oxygen weight ratio of the original coke (CK) and the treated coke according to the different treatments followed in the examples
Del coque (CK) destaca su análisis termogravimétrico (Curva TG y DTG, Fig. 1) con una pérdida de peso inicial en torno a los 400°C, indicativo de que este coque no ha estado sometido a temperaturas mucho más altas que esa (lo que corresponde con un coque verde). The thermogravimetric analysis of coke (CK) stands out (TG and DTG curve, Fig. 1) with an initial weight loss of around 400°C, indicating that this coke has not been subjected to temperatures much higher than that (which corresponds to a green coke).
Ejemplo 1.- Preparación de óxidos de grafeno a partir de un coque de petróleo verde haciendo uso de la vía química y por el procedimiento de la invención queincluye tratamiento inicial básico y posteriormente ácido antes del tratamiento oxidativo.Example 1.- Preparation of graphene oxides from green petroleum coke using the chemical route and by the process of the invention that includes initial basic treatment and then acid treatment before oxidative treatment.
El coque verde utilizado como material de partida (CK) se sometió inicialmente a un proceso básico que consiste en que 1 g de coque en 10 mL de KOH 1 M se agitan durante 1 h, y la mezcla se filtra sobre una resma de papel para descartar el líquido. Se lava el sólido varias veces con agua Milli-Q. El sólido obtenido del tratamiento básico se lleva a reflujo con 10 mL de HNO340% durante 30 minutos. El sólido se filtrar a vacío con resma de papel y se lava con agua Milli-Q. El sólido obtenido se denomina CK-B+A. Su caracterización elemental (Tabla 1) demuestra que este sólido tiene un mayor contenido en O (24,7 %) y N (6,49) que el coque original CK, lo que sugiere que estos tratamientos oxidan parcialmente el coque original. Esto se sugiere también a partir del análisis termogravimétrico del residuo CK-B+A (Fig. 2) en donde aparece un pico de descomposición térmica a menores temperaturas (sobre 300°C) que puede corresponder con estos nuevos compuestos oxidados más inestables térmicamente. Por otro lado, el mayor rendimiento a 1000°C de esta muestra tratada (mayor del 60%) y el movimiento del segundo pico de pérdida de peso hasta los 600°C sugiere que estos tratamientos contribuyen a eliminar parte del material de carbono. The green coke used as starting material (CK) was initially subjected to a basic process consisting of 1 g of coke in 10 mL of 1 M KOH being stirred for 1 h, and the mixture being filtered over a paper ream to discard the liquid. The solid is washed several times with Milli-Q water. The solid obtained from the basic treatment is refluxed with 10 mL of 40% HNO3 for 30 minutes. The solid is vacuum filtered through a paper ream and washed with Milli-Q water. The solid obtained is called CK-B+A. Its elemental characterization (Table 1) shows that this solid has a higher content of O (24.7%) and N (6.49) than the original coke CK, suggesting that these treatments partially oxidize the original coke. This is also suggested by the thermogravimetric analysis of the CK-B+A residue (Fig. 2) where a thermal decomposition peak appears at lower temperatures (over 300°C) that may correspond to these new, more thermally unstable oxidized compounds. On the other hand, the higher yield at 1000°C of this treated sample (over 60%) and the movement of the second weight loss peak up to 600°C suggest that these treatments contribute to removing part of the carbon material.
El material CK-B+A se somete a un proceso de oxidación tipo Hummers (vía química) semejante al utilizado para preparar óxidos de grafito y grafeno a partir de grafito. Las cantidades ajustadas de reactivos son una proporción 1:1:6 de Coque/NaNO3/KMnO4, a 35°C, durante 3h, seguido de tratamiento con H2O2 al 3% durante 1h más a 35°C. De la mezcla obtenida se separa el óxido de coque verde (obtenido en un 20% de rendimiento) por centrifugación a 11500 rpm durante 3 h. El sólido obtenido se somete a tratamiento a ultrasonidos durante 2h para formar el óxido de grafeno CKrO-B+A. El análisis de AFM de esta muestra (Fig. 3a y 3b) demuestra que se trata de un óxido de grafeno de una/dos capas principalmente (altura de lámina hasta 3 nm) y tamaño de lámina de hasta 500 micras. The CK-B+A material is subjected to a Hummers-type oxidation process (chemical route) similar to that used to prepare graphite and graphene oxides from graphite. The adjusted amounts of reagents are a 1:1:6 ratio of Coke/NaNO3/KMnO4, at 35°C, for 3h, followed by treatment with 3% H2O2 for 1h more at 35°C. From the obtained mixture, the green coke oxide (obtained in 20% yield) is separated by centrifugation at 11500 rpm for 3h. The solid obtained is subjected to ultrasonic treatment for 2h to form the graphene oxide CKrO-B+A. The AFM analysis of this sample (Fig. 3a and 3b) shows that it is mainly a single/double layer graphene oxide (sheet height up to 3 nm) and sheet size up to 500 microns.
Ejemplo 2.- (No forma parte de la invención) Preparación de óxidos de grafeno a partir de un coque de petróleo verde haciendo uso de la vía química y por el procedimiento estándar descrito en trabajos previos incluyendo solo tratamiento oxidativo.Example 2.- (Not part of the invention) Preparation of graphene oxides from green petroleum coke using the chemical route and by the standard procedure described in previous works including only oxidative treatment.
El coque verde utilizado como material de partida (CK) se sometió al mismo proceso de tratamiento oxidativo del ejemplo 1 (tipo Hummer's), es decir, sin someterlo previamente a tratamientos ni básico ni ácido. 1 g de coque verde se hizo reaccionar con NaNO3 y KMnO4 en proporciones 1:1:6, a 35°C, durante 3h, seguido de tratamiento con H2O2 al 3% durante 1h más a 35°C. La reacción fue inicialmente muy violenta observándose deflagraciones que llevaron a abortar la reacción. The green coke used as starting material (CK) was subjected to the same oxidative treatment process as in Example 1 (Hummer's type), that is, without prior basic or acid treatments. 1 g of green coke was reacted with NaNO3 and KMnO4 in proportions of 1:1:6, at 35°C, for 3 h, followed by treatment with 3% H2O2 for a further 1 h at 35°C. The reaction was initially very violent, with deflagrations being observed that led to the abort of the reaction.
Con este ejemplo se demuestra la viabilidad del tratamiento descrito en este trabajo respecto al descrito en la bibliografía para coques. Esto es debido a la excesiva reactividad del coque verde de partida consecuencia de haber sido obtenido a baja temperatura. This example demonstrates the viability of the treatment described in this work compared to that described in the literature for cokes. This is due to the excessive reactivity of the starting green coke as a result of having been obtained at low temperature.
Ejemplo 3.- Preparación de óxidos de grafeno a partir de un coque de petróleo verde haciendo uso de la vía química y por el procedimiento descrito en esta patente que incluye tratamiento inicial básico y posteriormente ácido antes del tratamiento oxidativo en condiciones más ajustadas de reactivosExample 3.- Preparation of graphene oxides from green petroleum coke using the chemical route and by the procedure described in this patent that includes initial basic treatment and then acid treatment before oxidative treatment under more adjusted reagent conditions.
El coque verde utilizado como material de partida (CK) se sometió a un proceso análogo al del ejemplo 1 pero en la que se variaron las proporciones de los reactivos de oxidación. Inicialmente 1 g de coque se sometió a un proceso básico en 10 mL de KOH 1 M se agitan durante 1 h, y la mezcla se filtra sobre una resma de papel para descartar el líquido. Se lava el sólido varias veces con agua Milli-Q. El sólido obtenido del tratamiento básico se lleva a reflujo con 10 mL de HNO340% durante 30 minutos. El sólido se filtra a vacío con resma de papel y se lava con agua Milli-Q. El sólido resultante CK-B+A, similar al obtenido en el ejemplo 1, se somete a un proceso de oxidación tipo Hummers (vía química) semejante al utilizado para preparar óxidos de grafito y grafeno a partir de grafito. Las cantidades ajustadas de reactivos son una proporción 1:3 de Coque/KMnO4, a 35°C, durante 1 h, seguido de tratamiento con H2O2 al 3% durante 1h más a 35°C. De la mezcla obtenida se separa el óxido de coque verde (obtenido en un 60% de rendimiento) por centrifugación a 11500 rpm durante 3 h. El sólido obtenido se somete a tratamiento a ultrasonidos durante 2h para formar el óxido de grafeno CKrO-B+A-Low The green coke used as starting material (CK) was subjected to a process analogous to that of Example 1 but in which the proportions of the oxidation reagents were varied. Initially, 1 g of coke was subjected to a basic process in 10 mL of 1 M KOH and stirred for 1 h, and the mixture was filtered through a ream of paper to discard the liquid. The solid was washed several times with Milli-Q water. The solid obtained from the basic treatment was refluxed with 10 mL of 40% HNO3 for 30 minutes. The solid was vacuum filtered through a ream of paper and washed with Milli-Q water. The resulting solid CK-B+A, similar to that obtained in Example 1, was subjected to a Hummers-type oxidation process (chemical route) similar to that used to prepare graphite and graphene oxides from graphite. The adjusted amounts of reagents are a 1:3 ratio of Coke/KMnO4, at 35°C, for 1 h, followed by treatment with 3% H2O2 for a further 1 h at 35°C. From the mixture obtained, the green coke oxide (obtained in 60% yield) is separated by centrifugation at 11500 rpm for 3 h. The solid obtained is subjected to ultrasonic treatment for 2 h to form the graphene oxide CKrO-B+A-Low.
El óxido de grafeno obtenido CKrO-B+A-Low se caracterizó mediante AFM (Fig. 4), demostrando que se trata de un óxido de grafeno de una sola capa principalmente y de un tamaño de lámina en torno a los 500 nm. The obtained graphene oxide CKrO-B+A-Low was characterized by AFM (Fig. 4), showing that it is mainly a single-layer graphene oxide with a sheet size around 500 nm.
Esto demuestra que el proceso es susceptible de ser utilizado en proporciones diferentes de reactivos, que serán optimizadas según las características del coque de partida. This shows that the process can be used in different proportions of reagents, which will be optimized according to the characteristics of the starting coke.
Ejemplo 4- (No forma parte de la invención). Preparación de óxidos de grafeno a partir de un coque de petróleo verde haciendo uso de la vía química e incluyendo solo un tratamiento ácido antes del tratamiento oxidativo estándar.Example 4- (Not part of the invention). Preparation of graphene oxides from green petroleum coke using the chemical route and including only an acid treatment before the standard oxidative treatment.
El coque verde CK se lleva a reflujo con 10 mL de HNO340% durante 30 minutos. El sólido se filtrar a vacío con resma de papel y se lava con agua Milli-Q. El sólido resultante CK-A, se somete a un proceso de oxidación tipo Hummers (vía química) semejante al utilizado para preparar óxidos de grafito y grafeno a partir de grafito. Las cantidades ajustadas de reactivos son una proporción 1:3 de Coque/KMnO4, a 35°C, durante 1h, seguido de tratamiento con H2O2 al 3% durante 1h más a 35°C. Estas son semejantes a las utilizadas en el ejemplo 3 de esta invención. Como diferencia con esta, en este punto se observa la aparición en el seno de reacción de una gran cantidad de espuma que obliga a purificar la mezcla repetidas veces, bajando considerablemente el rendimiento. The green coke CK is refluxed with 10 mL of 40% HNO3 for 30 minutes. The solid is vacuum filtered through a paper ream and washed with Milli-Q water. The resulting solid CK-A is subjected to a Hummers type oxidation process (chemical route) similar to that used to prepare graphite and graphene oxides from graphite. The adjusted quantities of reagents are a 1:3 ratio of Coke/KMnO4, at 35°C, for 1 h, followed by treatment with 3% H2O2 for 1 more h at 35°C. These are similar to those used in example 3 of this invention. As a difference with this one, at this point the appearance of a large amount of foam is observed in the reaction medium, which requires the mixture to be purified repeatedly, considerably lowering the yield.
De la mezcla obtenida se separa el óxido de coque verde que no es posible separar por centrifugación a 11500 rpm durante 3 h (mismas condiciones que el ejemplo 1 y 3) y que está compuesto por material de elevada altura correspondiente a mayor de 10 capas (Fig. 5a y b). Alturas de lámina por encima de lo permitido para ser considerado material grafénico. From the mixture obtained, the green coke oxide is separated, which cannot be separated by centrifugation at 11,500 rpm for 3 h (same conditions as in example 1 and 3) and which is composed of high-height material corresponding to more than 10 layers (Fig. 5a and b). Sheet heights above what is allowed to be considered graphene material.
Este experimento demuestra la necesidad de realizar un tratamiento básico inicial que mejora sustancialmente la reactividad del material en la reacción oxidativa de preparación de materiales grafénicos. This experiment demonstrates the need to perform an initial basic treatment that substantially improves the reactivity of the material in the oxidative reaction for preparing graphene materials.
Ejemplo 5- (No forma parte de la invención). Sonicación y tratamiento térmico de reducción / exfoliación de un coque verde sometido exclusivamente a tratamiento básico seguido de tratamiento ácido.Example 5- (Not part of the invention). Sonication and reduction/exfoliation heat treatment of a green coke subjected exclusively to basic treatment followed by acid treatment.
El material obtenido después de los tratamientos básico y ácidos descritos en el ejemplo 1, CK-B+A, como ya se discutió, tiene un alto contenido en oxígeno (tabla 1). Esto podría sugerir que se haya formado un óxido de coque que pudiera ser susceptible de ser exfoliado directamente sin necesidad del tratamiento oxidativo mediante procedimientos de exfoliación estándar. The material obtained after the basic and acid treatments described in Example 1, CK-B+A, as already discussed, has a high oxygen content (Table 1). This could suggest that a coke oxide has been formed which could be susceptible to direct exfoliation without the need for oxidative treatment by standard exfoliation procedures.
Para comprobarlo, el material CK-B+A, con estructura apilada tipo coque como se deduce de las fotos de SEM (Fig. 6a) se somete a un proceso de ultrasonidos durante 8h. El resultado es una suspensión estable semejante a la de partida, lo que sugiere que no ha habido exfoliación mediante esta metodología. Esto se demuestra en el análisis SEM de la muestra obtenida (Fig. 6b), de estructura tridimensional semejante a la de partida. To verify this, the CK-B+A material, with a coke-like stacked structure as deduced from the SEM photos (Fig. 6a), is subjected to an ultrasound process for 8h. The result is a stable suspension similar to the starting one, suggesting that there has been no exfoliation using this methodology. This is demonstrated in the SEM analysis of the obtained sample (Fig. 6b), with a three-dimensional structure similar to the starting one.
Por otro lado, el material CK-B+A se sometió a un proceso de exfoliación/reducción estándar por flash pirólisis a 350°C, con un flujo de nitrógeno de 200 mL/min y un tiempo de residencia de 10 min. El resultado sigue siendo una muestra no exfoliada de naturaleza tridimensional semejante a la de partida CK-B+A, como se observa por SEM (Fig. 6c). On the other hand, the CK-B+A material was subjected to a standard exfoliation/reduction process by flash pyrolysis at 350°C, with a nitrogen flow of 200 mL/min and a residence time of 10 min. The result is still a non-exfoliated sample of three-dimensional nature similar to the starting CK-B+A, as observed by SEM (Fig. 6c).
Estos experimentos demuestran la necesidad de la secuencia de tratamiento aquí descrita para, con estos coques, separar las láminas de grafeno entre si lo suficiente para provocar su exfoliación mediante estos métodos estándar. These experiments demonstrate the need for the treatment sequence described here to separate the graphene sheets from each other sufficiently with these cokes to induce their exfoliation using these standard methods.
Ejemplo 6.- Preparación de grafeno a partir de óxido de grafeno procedente de un coque de petróleo verde haciendo uso de la vía química y por el procedimiento descrito en esta patente que incluye tratamiento inicial básico y posteriormente ácido antes del tratamiento oxidativo en condiciones más ajustadas de reactivos (ejemplo 3)Example 6.- Preparation of graphene from graphene oxide derived from green petroleum coke using the chemical route and by the procedure described in this patent, which includes initial basic treatment and then acid treatment before oxidative treatment under more adjusted reagent conditions (example 3)
El óxido de grafeno procedente del ejemplo 3 se sometió una vez seco por liofilización a un tratamiento térmico en atmósfera inerte hasta los 1000°C, con una rampa de 2°C/min. El sólido resultante (grafeno) se caracterizó mediante SEM observándose que está formado por monocapas de grafeno (Fig. 7) The graphene oxide from example 3 was subjected, once dried by freeze-drying, to a thermal treatment in an inert atmosphere up to 1000°C, with a ramp of 2°C/min. The resulting solid (graphene) was characterized by SEM, observing that it is formed by monolayers of graphene (Fig. 7).
Ejemplo 7.- Extracción limpia de metales contenidos en el coque verde de partida,después de la etapa de tratamiento ácido que comprende esta invención.Example 7.- Clean extraction of metals contained in the starting green coke, after the acid treatment stage comprising this invention.
Según el procedimiento descrito en esta patente, una vez el coque verde de partida se haya sometido a un tratamiento básico y purificado, se debe someter a un posterior tratamiento ácido. Una vez terminado este segundo tratamiento, el sólido se recupera por filtración para seguir su tratamiento. En este ejemplo se recogen las aguas ácidas después de esta filtración y posterior lavado del sólido y se procede a su análisis por ICP-masas para determinar su composición. La disolución es completamente transparente y únicamente presenta una ligera tonalidad amarilla, indicativo de que no hay residuos carbonosos como ocurre tras el procedimiento de la etapa posterior de oxidación, lo que representa una mejora a la hora de requerir su recuperación. Los resultados de ICP (tabla 2) confirman que es en esta disolución donde se recogen los elementos metálicos. En este ejemplo en concreto destaca la presencia de hierro (Fe), níquel (Ni) y sobre todo Vanadio (V). According to the procedure described in this patent, once the green coke has been subjected to a basic and purified treatment, it must be subjected to a subsequent acid treatment. Once this second treatment is finished, the solid is recovered by filtration for further treatment. In this example, the acid water is collected after this filtration and subsequent washing of the solid and is analysed by ICP-mass to determine its composition. The solution is completely transparent and only has a slight yellow hue, indicating that there are no carbonaceous residues as occurs after the procedure of the subsequent oxidation stage, which represents an improvement when its recovery is required. The ICP results (Table 2) confirm that it is in this solution where the metallic elements are collected. In this particular example, the presence of iron (Fe), nickel (Ni) and especially Vanadium (V) stands out.
Tabla 2: Resultados de análisis de elementos metálicos de interés mediante ICP-masas de las aguas ácidas recuperadas tras el tratamiento ácido de un coque verde previamente tratado con base. Table 2: Results of analysis of metallic elements of interest by ICP-mass of the acidic waters recovered after the acid treatment of a green coke previously treated with base.
Ejemplo 8: (No forma parte de la invención). Preparación de óxidos de grafeno a partir de un coque de petróleo verde haciendo uso de la vía química e incluyendo solo un tratamiento básico antes del tratamiento oxidativo estándar. Example 8: (Not part of the invention). Preparation of graphene oxides from green petroleum coke using the chemical route and including only a basic treatment before the standard oxidative treatment.
El coque verde utilizado como material de partida (CK) se sometió al proceso básico inicial que consiste en que 1 g de Coque en 10 mL de KOH 1 M se agitan durante 1 h, y la mezcla se filtra sobre una resma de papel para descartar el líquido. Se lava el sólido varias veces con agua Milli-Q. El sólido resultante se somete a un proceso de oxidación tipo Hummers (vía química) semejante al utilizado para preparar óxidos de grafito y grafeno a partir de grafito. Las cantidades ajustadas de reactivos son una proporción 1:3 de Coque/KMnO4, las mismas utilizadas en el ejemplo 3 de esta invención. La temperatura fue de 35°C y el tiempo de 3h. En este punto, y como diferencia respecto al ejemplo 3, se observa una aparición más intensa de un vapor rosado. Seguidamente y de forma análoga al ejemplo 3, se realiza el tratamiento con H2O2 al 3% durante 1h más a 35°C. The green coke used as starting material (CK) was subjected to the initial basic process consisting of stirring 1 g of Coke in 10 mL of 1 M KOH for 1 h, and filtering the mixture over a ream of paper to discard the liquid. The solid is washed several times with Milli-Q water. The resulting solid is subjected to a Hummers-type oxidation process (chemical route) similar to that used to prepare graphite and graphene oxides from graphite. The adjusted amounts of reagents are a 1:3 ratio of Coke/KMnO4, the same as those used in example 3 of this invention. The temperature was 35°C and the time 3h. At this point, and as a difference from example 3, a more intense appearance of a pink vapor is observed. Next and in a manner analogous to example 3, the treatment with 3% H2O2 is carried out for 1 more hour at 35°C.
De la mezcla obtenida se separa el óxido de coque verde que es en este caso más difícil de separar por centrifugación a 11500 rpm durante 3 h que el material objeto de comparación obtenido en los ejemplos 3 e incluso 1 (mayor concentración de oxidante). El análisis AFM de este material (Fig. 8) confirma que fundamentalmente consiste en agrupaciones de láminas de más de 10 capas (límite para ser considerado como grafeno de pocas capas), lo que pone de manifiesto la necesidad de realizar el tratamiento ácido con posterioridad al tratamiento básico y previo al tratamiento de oxidación. From the mixture obtained, green coke oxide is separated, which is in this case more difficult to separate by centrifugation at 11,500 rpm for 3 h than the material under comparison obtained in examples 3 and even 1 (higher oxidant concentration). The AFM analysis of this material (Fig. 8) confirms that it basically consists of groupings of sheets of more than 10 layers (limit to be considered as low-layer graphene), which highlights the need to carry out the acid treatment after the basic treatment and before the oxidation treatment.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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BA2A | Patent application published |
Ref document number: 2983890 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20241025 |
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FA2A | Application withdrawn |
Effective date: 20250211 |