[发明专利]一种蔗渣全组分/石墨烯碳复合导电材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米技术领域，具体涉及一种蔗渣全组分/石墨烯碳复合导电材料及其制备方法。

背景技术

我国农林生物质资源非常丰富，秸秆、稻壳、蔗渣等农林废弃物年产出实物量达20.29亿吨，而且蔗渣全球年产量约2.79亿吨，因此蔗渣是一种丰富、可再生利用的农林废弃物资源。蔗渣主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，具有环境友好、易生物降解等优点，而且其聚合物分子中存在大量羟基、糖残基、乙酰基、甲氧基等活性基团，因此是制备生物质基功能材料、高附加值绿色化学品的理想原料。蔗渣等木质纤维生物质的转化利用，包括生物燃料和平台化合物。同时，也有研究将蔗渣等木质纤维直接用于高值化复合材料的制备中。然而，蔗渣全组分的直接利用受限于其溶解状态传统的木质纤维溶解方法往往在降解破坏其中一种或两种组分化学结构的前提下进行溶解和分离，产率较低、反应条件苛刻，既浪费了资源，又造成污染。目前蔗渣全组分的溶解主要以离子液体体系为主，但是其处理温度较高并且离子液体的价格昂贵。最新研究表明氢氧化钠/尿素溶液可用于纤维素溶解体系，这种新的溶解体系可为蔗渣全组分溶解研究及高值化利用开辟了一条新的道路。

石墨烯是一种碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂窝状的平面二维晶体，具有优异的力学、热学和电学性能。石墨烯及其复合材料是国内外研究的热点，对现代纳米科学与技术的发展具有十分重要的意义。其中水热法是目前制备三维石墨烯的常用方法，所得到的三维石墨烯相比于化学还原法和热还原法而言，能够表现出了更好的电化学性能。然而，水热法存在一定不足，如得到的石墨烯还原程度不高，还有比表面积不理想。利用蔗渣全组分中大量的活性基团有望提高石墨烯的还原程度，并且氧化石墨烯有助于蔗渣全组分的碳化，形成三维碳复合材料。

本发明提供了一种蔗渣全组分/石墨烯碳复合材料及其制备方法。首次利用氢氧化钠/尿素体系对蔗渣全组分实现溶解，加入氧化石墨烯后进行水热反应制备出蔗渣全组分/石墨烯碳复合材料。其制备过程实现对农林造纸废弃物蔗渣的高效利用，得到的碳复合材料在能源、医疗等领域有着巨大的应用前景。此外本发明还为石墨烯纳米复合材料的制备提供了新的方向，同时为生物质碳材料的深入研究与应用提供了良好的理论与实践基础。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种蔗渣全组分/石墨烯碳复合导电材料及其制备方法。利用氢氧化钠/尿素溶液体系对蔗渣全组分进行溶解，加入氧化石墨烯后进行水热反应，得到一种碳复合导电材料。

本发明具体通过以下技术方案实现。

一种蔗渣全组分/石墨烯碳复合导电材料的制备方法，该方法步骤如下：

1）将氢氧化钠和尿素加入水中，配成氢氧化钠/尿素溶液；

2）将蔗渣和氧化石墨烯加入步骤1）所得氢氧化钠/尿素溶液中进行溶解；

3）将步骤2）所得溶液进行超声分散后转移至反应釜中，在马弗炉中进行水热反应，所得产物经过水洗干燥后即得到蔗渣全组分/石墨烯碳复合导电材料。

进一步地，步骤1）所述氢氧化钠在氢氧化钠/尿素溶液中的浓度为6～10 wt%；所述尿素在氢氧化钠/尿素溶液中的浓度为10～14 wt%。

更进一步地，步骤1）所述氢氧化钠的用量为6 g～10 g；所述尿素的用量为10 g～14 g；所述水的用量为84 g～76 g。

进一步地，步骤2）所述蔗渣来源于制糖工业的副产物，已经过晒干、粉碎、球磨、过筛等预处理。

进一步地，步骤2）所述蔗渣的用量为250 mg～125 mg；所述氧化石墨烯的用量为2.5 mg～125 mg。

进一步地，步骤2）所述溶解的过程为：在10 °C～15 °C下搅拌30 min～40 min，之后在-10 °C～-20 °C下冷冻4 h～5 h，重复至溶解。

进一步地， 步骤3）所述水热反应的温度为160 °C～240 °C，时间为4 h～20 h。

上述的蔗渣全组分/石墨烯碳复合导电材料的制备方法，反应在高压反应釜中进行，且不需添加任何化学分散剂、还原剂与稳定剂等试剂。

由以上所述的制备方法制得的一种蔗渣全组分/石墨烯碳复合导电材料，所述蔗渣全组分/石墨烯碳复合导电材料中蔗渣碳颗粒呈球形，直径为50 nm~200 nm，负载在石墨烯片层上。

进一步地，所述蔗渣全组分/石墨烯碳复合导电材料具有吸附性和导电性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：