[发明专利]一种多孔椰壳炭石墨化方法

说明书

本发明属于碳质材料应用技术领域，具体涉及一种多孔椰壳炭石墨化方法。先将多孔椰壳炭粉碎过筛，多孔椰壳炭粉与KHCO₃、NaHCO₃、NH4HCO3中的至少一种按比例混合，在N₂气氛条件下，置于石墨化炉中，程序升温到1000‑1100℃，保温1～2小时；降温至室温，将所得石墨化产物先后用稀盐酸和去离子水洗涤，干燥获得多孔椰壳炭石墨化产物。本发明利用林产品废弃物椰壳，资源丰富，成本低，生产工艺安全环保，尤其是对高温设备腐蚀少，制备效率高，所得多孔椰壳炭石墨化产物为少层石墨烯或氧化石墨烯。

技术领域

本发明属于炭质材料应用技术领域，具体涉及一种多孔椰壳炭石墨化方法。

背景技术

在高温下农林废弃物脱除原材料中H、O、N等元素，形成碳骨架，主要影响因素为升温速率和炭化温度，获得农林废弃物多孔炭。因此，农林废弃物在无催化剂作用下制备的碳材料为无定形碳，表现在PXRD图谱中只出现包峰，即使在高温下也难以石墨化。

通常使用的活化剂有磷酸、硫酸、硼酸、KOH、NaOH、ZnCl₂、K₂CO₃、K₂S、CaCl₂、磷酸二氢钾、(NH₄)₂HPO₄等，获得多孔碳。使用强碱，如KOH和NaOH对碳化炉有损坏作用；使用氯化物，如ZnCl₂、CaCl₂和FeCl₃不仅对碳化炉有损坏作用，而且有害气体物染生产环境，影响生产者健康；另一方面，在工业生产中使用强碱或者氯化物作活化剂，生产过程中废水处理需要耗损大量经费，会提高生产成本，产品价格上升，同时也影响生态环境。

近年来，石墨烯由于具有独特的电子、光学和机械性能，引起了持续而广泛的关注。在石墨烯工业化生产过程探索中，人们一直致力于寻求可再生的碳源前驱体和绿色可持续的制备途径。

以农林废弃物为原料制备石墨烯材料的方法应运而生。该方法可以有效利用农林废弃物富含的N、P等杂原子以及特殊结构改善石墨烯材料的理化性质，使得制备的石墨烯材料在电化学领域表现出优异的特性。

利用农林废弃物制备石墨烯材料，不仅要考虑农林废弃物的升温速率和炭化温度，还需考虑农林废弃物在石墨化过程中催化剂的使用。科研工作者成功地以铜为催化剂、聚苯乙烯或者聚乙烯废弃塑料为碳源通过水平常压化学气相沉积法在双管式炉系统中制备出了单层、双层乃至多层的石墨烯；催化剂的使用是农林废弃物向石墨烯转化的必备条件；农林废弃物青草的叶片在铜催化剂的作用下也可以制备出高质量高结晶度的单层石墨烯[Carbon,2014,72:66-73；ACSNano,2011,5(9):7601-7607.]。莲花的花瓣和木槿花等在氩气氛围下辅以小于或等于1600℃的温度进行热剥落处理，最大限度的去除含氧的杂质后，即能得到高质量的石墨烯材料，温度和厌氧环境对农林废弃物制备石墨烯材料至关重要，富含的纤维素和半纤维素中的碳碳键在高温和厌氧条件的共同作用下可以实现分裂和分子重组，最终得以形成石墨烯，制备石墨烯的实验发现，相对较高的温度有助于提高石墨烯的质量，升高温度也可有效去除含氧杂质[Carbon,2012,50(11):4123-4129.]。废弃物虾蟹壳的主要成分为壳聚糖，在硝酸锌﹑硝酸铝或氢氧化钾催化剂存在的情况下热解实现石墨烯的合成[CN 107758645A]。

现有工业生产石墨烯技术中采用石墨粉为原料制备石墨烯，使用Hummers法或Hummers改良法，需使用浓硫酸，浓硝酸和高锰酸钾产生大量的废水对环境造成巨大的污染，消耗巨大的人力和财力成本，使得石墨烯的价格居高不下，严重阻碍了石墨烯的大规模应用和推广。