[发明专利]纤维素为原料制备生物质石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯的制备方法，特别是利用纤维素为原料制备生物质石墨烯的方法。

背景技术

生物质是一种天然纤维素原料，被认为是地球上最有价值、最丰富的可再生资源。在中国，天然纤维素生物质的年产率超过7亿吨，其中玉米芯和秸秆占30％以上。生物质中含有丰富的营养价值以及有用的化学成分，虽然被广泛用于工业、农业及畜牧业，但是仍有50％以上的生物质没有被利用。目前，我国在生物质(玉米芯和秸秆等)的有效利用方面缺乏综合措施，往往造成严重的空气污染，这也是导致雾霾现象频发及空气中直径小于PM2.5的细颗粒物浓度居高不下的重要因素。虽然我国在生物质的深加工方面走在世界前列，已经在植物秸秆的开发、研制和综合利用方面走出了一条成功的道路。然而，如果不合理利用生物质废渣，也会对环境造成二次污染。

近年来，石墨烯材料在能源环境领域中具有较为广泛的应用，主要是由于二维的石墨烯具有超大的比表面积、杰出的电子传导特性，同时也可以作为树脂、橡胶的添加剂，可以提高这类材料的物理性质以满足不同领域的需求。目前，合成石墨烯的方法中应用较多的主要有两种：一种是化学气相沉积法(CVD)，另一种是还原氧化石墨法。CVD法生产的石墨烯，适合于做电子器件，但是通常需要苛刻的反应条件、昂贵的设备、较长的周期、较低的产率，不适合类似于在电极材料领域的大规模应用。还原氧化石墨法所需要强氧化剂(浓硫酸、高锰酸钾等)的用量为石墨原料的几十倍，导致环境污染严重。生产成本居高不下，从而大大限制了其产业化的进程。

综上所述，现有石墨烯制备方法存在工艺复杂、生产安全性差、生产成本高、反应所需设备复杂、反应条件苛刻、产量低等问题，从而难以工业化生产。因此，本发明人一直研究能够克服上述障碍并允许形成高质量的石墨烯的可选方法，创造性地提出了利用纤维素为原料制备生物质石墨烯的方法，本方法的制备工艺简单、成本低、产量高、生产安全性强、产品尺寸及物理性质可控，可以实现工业化生产。

发明内容

本发明的目的之一是：解决现有石墨烯制备工艺复杂、生产安全性差、生产成本高、反应所需设备复杂、反应条件苛刻、产量低等问题。

为解决上述问题采取如下技术方案：

首先，纤维素为原料制备生物质石墨烯的方法，制备步骤为：

步骤一：配制催化剂溶液：将催化剂加入到蒸馏水中，搅拌10～30min后，得到均一的所述催化剂溶液，其中所述催化剂溶液中溶质与溶剂的比为2：100～35：100；

步骤二：制备前驱体：将生物质纤维素加入到所述步骤一得到的所述催化剂溶液中，搅拌1～4h，然后在高温下脱氧、烘干，得到前驱体，其中纤维素与溶剂的质量比为3：100～40：100；

步骤三：热处理：预碳化：将所述步骤二得到的所述前驱体放入氮气、氩气或者氢气环境下，以10～20℃/min升温速率加热至220～650℃，使其预碳化1～6h；二次炭化：再以5～16℃/min升温速率加热至900～1650℃热处理预碳化生成物4～15h，使所述步骤二制备的前驱体进行二次炭化处理；

步骤四：酸处理、水洗干燥：用酸处理所述步骤三得到的生成物，离心分离后再用蒸馏水洗涤至中性，然后在80～110℃条件下烘干，即得到石墨烯。

进一步的，所述的纤维素为从玉米芯、玉米秸秆、高粱秸秆、大豆秸秆、蒲草、椰壳、棕榈壳中提取的一种或几种纤维素。

进一步的，所述步骤一中催化剂为FeCl₂、FeCl₃、K₃[Fe(CN)₆]或K₄[Fe(CN)₆]中的一种或者几种混合。

进一步的，所述步骤一中的：所述搅拌时间为13-25min；所述的催化剂溶液中溶质与溶剂的比为3：100～25：100。

进一步的，所述步骤一中的：所述搅拌时间为15-20min；所述的催化剂溶液中溶质与溶剂的比为4：100～15：100。

进一步的，所述步骤二中所述的搅拌时间为2～3h，所述高温下脱氧的反应条件为：110～205℃反应6～16h或者是在微波强度为3～9kW、温度为110～170℃下，反应5min～2h。

进一步的，所述步骤二中所述高温下脱氧的反应条件为：120～180℃反应8～12h或者是在微波强度为4～7kW、温度为130～160℃下，反应20min～1.5h。