[发明专利]一种以生物碳源材料高产率制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯的制备领域，具体涉及一种以生物碳源材料高产率制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子组成的单层二维蜂窝状材料。它的比表面积大、导电率高，具有非常优秀的热力学及电学性能，因此一问世便成为研究热点。无论是在生命科学领域，还是在能源动力领域，石墨烯都发挥着巨大的作用。特别是在增强及导电领域，石墨烯作为一种非常有用的填充材料，被广泛的应用于复合材料体系。但是由于制备方法的局限，经常导致生产出来的石墨烯表面存在缺陷。

目前最常见的石墨烯制备方法主要有以下几种：机械剥离法、化学气相沉积法（CVD法）、插层石墨法、氧化还原法等。机械剥离法作为世界上首例成功制备出石墨烯的方法已经被很多人研究过，虽然可以制备出高质量的石墨烯，但是很难工业化。CVD法制备石墨烯成本比较高，而插层石墨法和氧化还原法，制备得到的石墨烯表面会存在比较多的缺陷。

例如公开号为CN102942179A的专利文献公开了一种部分还原的网络结构氧化石墨烯的制备方法，将Hummers法制备的氧化石墨烯浸渍在过氧化氢水溶液或碳酰胺水溶液中，得到粘稠状混合物并收集；将管式炉预升温到900～1200℃，并通惰性气体保护；将粘稠状混合物置于用惰性气体保护的管式炉中，加热10～50s，带冷却到室温，得到部分还原的网络结构氧化石墨烯。这种方法制备出来的石墨烯可以有效抑制片层的层叠现象，保持石墨烯较高的比表面积。

公开号为CN101139090A的专利文献公开了一种二维单层石墨烯的制备方法，将0.5-100克硝酸盐分散溶解到100毫升-2升的有机溶剂中，再加入5-2000克氧化物或碳酸盐的纳米粉末，在40-59赫兹下搅拌超声10-60分钟后，将有机溶剂蒸干，真空干燥、最后研磨成尺寸为0.1-10微米的细粉，得到单层石墨烯的催化剂；将0.5-50克单层石墨烯的催化剂放入容器中，并以每分钟20-2000毫升的流量通入保护气体，然后将容器温度升至850-1100℃，恒温后，以每分钟10-500毫升的流量通入碳源气高温裂解5-45分钟后，冷却得到二维单层石墨烯。

目前，在石墨烯的制备过程中，大家更多关注的是方法本身的改进而不是材料的选择上。对比一下以往的文献资料，基本上在石墨烯的制备过程中，主要是以石墨为原材料制备的，而其它的一些材料用来制备石墨烯的报道比较少。

发明内容

本发明提供了一种以生物碳源材料为原料高产率制备石墨烯的方法，以纤维素或木质素为原料，极大地降低了生产成本，实现了石墨烯的大规模工业化生产；本方法制备得到的石墨烯片层厚度为2～5nm，产率和纯度均较高。

本发明公开了一种以生物碳源材料高产率制备石墨烯的方法，包括如下步骤：

（1）生物碳源材料经微波处理后加入到酸液中，浸渍1～24h后，再经水洗、干燥处理，得到预处理的生物碳源材料；

（2）将预处理的生物碳源材料与催化剂混合，在600～1600℃、保护气体存在下煅烧1～12h，冷却后得到所述的石墨烯；

所述催化剂为铂、钯、铑、铁中的至少一种。

生物碳源材料是指以自然界的生物质，如桔秆，稻杆，树叶，树皮等作为碳元素来源的材料，作为优选，所述的生物碳源材料为纤维素和木质素。

所述的生物碳源材料经过微波和酸液的双重处理，经过上述处理后，可以降低纤维素和木质素的结晶度，使得生物碳源材料在物理结构上变得更加疏松，更利于后续的热膨胀。

作为优选，所述微波功率为30W，处理时间为10～30min。

作为优选，所述酸液为H₂SO₄水溶液或HCl水溶液。

作为优选，所述酸液的浓度为1%～5%。酸液浓度过高会破坏生物碳源材料的化学结构。

作为优选，所述的生物碳源材料在浸渍的同时进行匀速搅拌处理。

作为优选，所述的干燥为鼓风烘干，鼓风烘干可以模拟自然烘干，有效地保证原材料分子间水分的存在。因为热膨胀法在有微量水元素的情况下效果更好，过度烘干反而不利。

具体干燥过程为：常温常压下，将浸渍后的样品装入直径为30cm的细胞培养皿中，置于进风口处，调节流量参数，设置风速为3～6m/s，风量为800～1200m³/h，保持通风状态6～12小时。

作为优选，所述保护气体为氢气、一氧化碳、氦气、氯化氢、氮气、水蒸气、氖气、氩气、二氧化碳、氪气、氙气中的至少一种。