[发明专利]一种以木质素为原料制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于碳材料制作工艺技术领域，具体涉及一种以木质素为原料制备石墨烯的方法。

背景技术

木质素作为自然界第二大量的天然有机物，广泛存在于大部分陆地植物木质部中，全世界每年的产量可达1500亿吨。其用途很广泛，可用作表面活性剂、增强剂、粘结剂、减水剂、防垢剂、缓蚀剂和分散剂等，涵盖了工业农业的很多领域，具有很高的利用价值。然而，目前木质素的利用效率低下，绝大多数被用于燃烧，回收率低，又污染环境。由此可见，需要开发木质素清洁高效的利用技术。本文中用静电逐层自组装的方法将木质素转化成新型碳材料—石墨烯，既利用资源，又保护环境。

石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米碳材料，它由一层碳原子构成，几乎是透明的，具有很高的光透射率(可达97.7％)；它的电阻率比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料，电子迁移的速度极快。石墨烯以其优越的电学、热学、机械性能，在锂离子电池、超级电容器、导电油墨、半导体等领域有着潜在巨大的应用前景。关于在锂离子电池领域中的应用，石墨烯与金属或氧化物粒子组成复合材料要比单独使用石墨烯作为锂离子负极材料的优势更明显。然而，尽管石墨烯具备以上众多优点，如何低成本制备石墨烯却是众多应用的大前提。

目前为止，石墨烯的制备方法主要分为两大类，一类是由大至小的合成方法，即以天然石墨为碳源，通过物理或化学剥离/剪切的方法获得单层或寡层石墨烯，比如机械剥离法、化学氧化还原法和电弧法等；另一类是由小至大的合成方法，即以小分子含碳化合物为原料合成大分子的单层或寡层石墨烯，比如化学气相沉积法、有机合成法等。其中，化学气相沉积法操作简单，生长可控，但条件苛刻，成本过高，很难商业化；化学氧化还原法制备简单，材料廉价，有望批量生产，但反应周期长，所得石墨烯产品质量较低，引入缺陷和官能团过多；其他方法也尚存在诸多问题。因而，还需尝试新颖、可控的石墨烯制备技术。

聚电解质静电逐层自组装是用聚阴离子和聚阳离子在基材表面交替吸附制备多层膜的新技术。该技术因其操作简易，结构可控，成膜质量高，对基材要求低等特点已成为功能高分子纳米薄膜领域的研究热点。

关于木质素的静电逐层自组装方面，Paterno L G和Mattoso L发现木质素磺酸盐和聚邻乙氧基苯胺能很好的进行静电逐层自组装，用原子力显微镜研究自组装膜的表面形貌，发现木质素磺酸盐层相比聚邻乙氧基苯胺层更平整(Polymer.2001,42:5239-5245)。静电逐层自组装制备的木质素聚电解质纳米膜可以用于表面与界面的改性等(Ind Crop.Prod.2009,30:287-291)。目前尚未见到利用木质素聚电解质逐层自组装技术制备石墨烯的报导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以木质素为原料，通过静电逐层自组装和催化碳化，制备石墨烯的方法。

利用木质素聚电解质的分子间力，诱导其聚集体微结构从“无序”向“有序”转变，“自下而上”构筑木质素聚电解质的静电逐层自组装纳米膜，有效地抑制木质素聚电解质的无规团聚。将催化剂前驱体逐层引入木质素固态碳源的层层自组装纳米膜中，在层状或颗粒状基材甚至是电极材料等表面“自下而上”原位生长出结构可控的石墨烯包覆层，其石墨烯制备方法不同于传统CVD法或其它固态碳源制备石墨烯的方法。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种以木质素为原料制备层数可控的石墨烯的方法，包括以下步骤：

(1)将木质素配成一定浓度的水溶液，称一定量的催化剂前驱体配成水溶液；所述催化剂前驱体为FeCl₃、FeSO₄·7H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O、CuSO₄·5H₂O、Co(NO₃)₂和NiSO₄·6H₂O中的一种；

(2)将预处理后的基材先在木质素溶液中充分浸渍一段时间，取出后在超纯水中浸泡一段时间，然后用超纯水冲洗数次，并在10～25℃范围内低温干燥；再放入催化剂前驱体溶液中浸渍一段时间，取出后先用超纯水浸泡再冲洗数次，并在10～25℃范围内低温干燥，即得到一层木质素聚电解质和催化剂前驱体的自组装膜；重复以上木质素溶液浸渍、超纯水浸泡、超纯水洗涤、催化剂前驱体溶液浸渍、超纯水浸泡、超纯水洗涤的操作，即可得到层数可控的自组装膜；