[发明专利]以菌丝为模板制备孔径可控的石墨烯管的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种以菌丝为模板制备孔径可控的石墨烯管的方法。

背景技术

碳元素可借助不同的杂化方式由碳原子紧密排列构成的苯环结构而形成二维单层石墨烯材料，这一特征吸引着众多科学家的目光。石墨烯的基本结构单元为六元环，是最理想的二维纳米材料，垂直于石墨烯晶面方向上的π键使其具有优异的导电性能，其电子迁移率可达200000 cm²/(V·s)。二维石墨烯片层能通过卷曲、堆叠形成无缝管状结构，并具有不同的管壁数以及不同尺度的管径，由石墨烯组成的圆筒状碳管是一种超轻材料，适宜加工成各种亚微米级的器件，加之本身优异的光学、导热和导电性能，可用于光化学、拉曼光谱、能源储存与转化、化学传感等诸多领域。

鉴于这类低维碳材料具有的巨大潜在应用价值，人们对其的制备研究产生了极大的兴趣，目前制备石墨烯的方法有固相法、液相法及气相法三种途径，其中气相法最为精确，然而其需要高品质的基底而导致成本过高。另外，传统的机械剥离法及外延生长等固相方法，因大多需要高定向热解石墨，且石墨片依附于固体表面导致产量低，成本高昂，都不适合大规模地生产石墨烯。现较为流行的液相法是实现石墨烯量产的有效途径，但大多液相法所使用的酸液污染严重，危险性较高，需要较高的反应温度，能耗较大。石墨烯管材料具有优异的电子迁移率、热导率和力学性能，是有望于2025年之后取代硅的新一代纳米电子材料，但低成本生产高质量且可调控的石墨烯及石墨烯管一直是工业上的难点。制备石墨烯管的方法也基本集中于电弧法、激光蒸发法及化学气相沉积法上，不但需要剧烈的反应来分解碳源，还需繁琐的步骤和复杂的工艺控制，且最后的产物常混有如无定形碳等杂质，需加以物理上的如过滤、离心等手段进一步提纯，严重阻碍了这类材料的工业化生产。

利用生物体自身蛋白引导生物大分子自组装而成的特殊结构为模板制备各种先进微纳米材料是近年来发展迅速的材料制备方法，该方法具有工序简单、成本低廉、可扩大化生产等优点。经过了十多年的发展，材料学家利用天然生物材料作为模板，制备出了各种新奇的高性能碳材料。Macedo和Barreto在2008年在CO₂气氛下，以椰子纤维为模板，在800 ℃下煅烧，可以得到具有特殊生物形貌的粉状或者片状活性碳。2012年Zhu等在Chem. Commun杂志上报道了以豆奶为模板，合成了掺杂氮的荧光纳米点，这种新材料在氧还原反应中体现出了良好的电催化性能。因此，可以看到生物模板在制备碳材料方面有得天独厚的优势，其本身所含的蛋白质、核酸、糖类都是天然分布的碳源，只要找到适合的生物结构，并加以扩大培养，即可得到大量的优质碳材料。

真菌是分布最为广泛的一类生物，迄今被描述的真菌已达7万多种，而全球真菌种类应超过150万种。真菌具有各种特殊的形态，其中菌丝是真菌体的基本组成结构，它是由长形细胞构成的管状结构，并随着真菌种类有所不同，较适合作为制备碳类新材料。目前尚未见过关于利用真菌合成孔径可控的石墨烯管材料的相关报道。

发明内容

本发明的目的是改进现有技术制备石墨烯管方法中的不足，提供一种以菌丝为模板制备孔径可控的石墨烯管的方法。该制备方法成本低廉，步骤简单，避免了以往各种对设备要求较高的化学及物理制备石墨烯管法所带来的繁琐步骤和复杂工艺。本发明以菌丝作为模板，通过调控真菌的生长条件，得到大量菌丝，再由氮气保护下的高温煅烧除去模板中的杂质，从而得到成型的材料；选用不同的生长条件下的菌丝，可以得到不同孔径和管壁数的石墨烯管材料。

本发明的目的是通过以下技术方案实现：

以菌丝为模板制备孔径可控的石墨烯管的方法，包括以下步骤：

（1）配制液体培养基；将土壤样品用无菌水稀释，涂抹在固体培养基表面，经过培养，长出单个真菌菌落，即可得到真菌菌种；

（2）真菌的接种与观察：1）接种：将菌株接种到液体培养基中，然后放于温控摇床中培养。2）观察：在培养24小时之后每间隔8小时观察生长情况，确定菌体的生长期；

（3）菌丝的分离：当菌丝生长到所需孔径时，将液体培养基取出至离心管进行离心，离心后倒出上层溶液，加入超纯水，重复离心洗涤数次，并加以干燥；

（4）对获得的菌丝进行热处理：将步骤（3）获得的菌丝放入坩埚，置于管式炉中，通以氮气保护，加热到500～800 ℃，并保温2小时后自动降温；

（5）煅烧结束后，将制备得到的石墨烯管取出冷却。