[发明专利]一种以纤维素为原料制备的石墨烯及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物质材料领域，尤其涉及一种以纤维素为原料制备的石墨烯的及其制备方法。

背景技术

从2004年被A.K.Geim和K.S.Novoselov等人发现以来，石墨烯作为一种新型碳材料备受关注。石墨烯是目前世界上最薄的材料，其厚度仅为一根头发丝的二十万分之一。石墨烯具有极高的比表面积、突出的导热性能和力学性能以及非凡的电子传递性能等一系列优异的性质，可望在太阳能电池、传感器方面、纳米电子学、高性能纳米电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域具有广泛的应用。

高质量石墨烯的大量生产是实现石墨烯广泛应用的前提，也是科学家们在石墨烯研究中的一个热点。目前常用的石墨烯制备方法主要有：(1)微机械剥离法。该法产率过低，仅适合用于实验室试验；(2)化学气相沉积法。该法制备的石墨烯质量较高但是工艺复杂、成本较大；(3)外延生长法。该法对设备要求较高且制备成本较大。(4)氧化-还原法。该法是目前大量制备石墨烯所普遍采用的方法，其中比较常用的还原方法是化学还原，化学还原法是将石墨片分散在强氧化性混合酸中，例如浓硝酸和浓硫酸，然后加入高锰酸钾或氯酸钾等强氧化剂氧化得到氧化石墨水溶液，再经过超声处理得到氧化石墨烯，最后以水合肼、乙二胺、硼氢化钠等做还原剂还原氧化石墨烯得到石墨烯。该法的操作步骤复杂、成本较大且污染环境，其中使用的还原剂毒性大或者易燃，对操作人员的健康也会造成影响，同时由于我国石墨资源管理不规范，造成了严重的浪费，目前国内已探明的石墨资源已很难再满足日趋增长的需求。因此，需要开发一种方法简单、安全、低成本、可规模化、环境友好并且原料低成本、绿色可循环再生的制备高质量石墨烯的新方法。

发明内容

本发明旨在提供一种简单、安全、低成本、可规模化且环境友好的以纤维素为原料制备的石墨烯及其制备方法。该方法可以用廉价、绿色可循环再生的纤维素替代石墨为原料制备高质量石墨烯。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种以纤维素为原料制备石墨烯的方法，该方法包括以下步骤：

1)将纤维素进行预处理；

2)将预处理后的纤维素均匀的分散于水中，获得备用的纤维素分散液；

3)将备用的纤维素分散液置于密闭的水热釜中，然后放入到烘箱中以0.1～30℃/min的升温速率升至100～300℃反应0.1～30h，将反应所得的产物抽滤、冻干；

4)将抽滤、冻干后的产物置于真空管式炉内进行热处理。

上述方案中，步骤4)中在真空管式炉内进行热处理的条件为：在保护气体的气氛下，以0.1～30℃/min的升温速率升至200～1000℃后保温0.1～10h，然后随炉冷却。

上述方案中，所述纤维素为市售的植物纤维素和细菌纤维素中任意一种或者两种以任意比例混合所得。

上述方案中，所述保护气体为氮气或氩气。

上述方案中，步骤1)中细菌纤维素预处理的方法为将细菌纤维素浸泡在去离子水中除酸，周期为七天且每天更换去离子水；植物纤维素预处理的方法为将植物纤维素放入浓度为0.01～2mol/L的盐酸溶液中煮沸0.5～3h，得到纯净的纤维素。

上述方案中，步骤2)中所述纤维素分散液的浓度为0.01～20mg/ml。

所述方法制备得到的石墨烯。

所述石墨烯是尺寸为5-9μm的二维片状结构，厚度为2-10nm。

本发明的原理为：纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖。本发明先将各类纤维素预处理获得纯净的纤维素，接着将其均匀分散于水中，然后将纤维素的分散液进行水热反应，水热的过程中纤维素溶解并自组装成一种石墨烯的前驱物，将水热反应后获得的产物抽滤、冻干，然后将其置于真空管式炉在保护气氛中热处理还原即得到纯净、均匀的石墨烯。

本发明具有以下有益效果：

1.纤维素是自然界中储量最大、分布最广的天然高分子有机物，占植物界碳含量的50％以上，可以说纤维素是一种取之不尽、用之不竭的绿色可再生资源。与传统方法以石墨为原料制备石墨烯相比，以纤维素为原料制备石墨烯成本大大降低，且环境友好，优势十分明显。

2.与传统的制备石墨烯的方法不同，本发明所提供的方法工艺安全、操作简单、可规模化生产，且不需使用任何化学添加剂，不但大大降低了生产成本，而且对环境几乎没有污染。

本发明完全符合可持续发展的精神，因此适合在工业上大规模应用、生产。

附图说明