[发明专利]一种以纤维素深度水解得到的2D纤维素为原料的石墨烯2D粉体的制备方法

说明书

本发明提供一种以纤维素深度水解得到的2D纤维素为原料制备石墨烯2D粉体的方法，涉及石墨烯制备技术领域，包括纤维素2D晶体原料的准备和石墨烯2D粉体的制备；通过本发明的方法制备出的石墨烯2D粉体有清晰的蜂窝状六边形二维晶体结构，碳原子占比高，杂原子含量少，约6层，且能够批量生产；另外，本申请所采用的纤维素的原料来源广，成本低，制备过程中不造成二次污染，有利于生态环境保护，有重要的社会、经济和生态效益。

【技术领域】

本发明涉及石墨烯制备技术领域，具体涉及一种以纤维素深度水解得到的2D纤维素为原料的石墨烯2D粉体的制备方法。

【背景技术】

碳素材料是材料领域的一个重要分支。从上世纪末到本世纪，科学理论界不断涌现出碳的新型同素异形体和新的碳素材料。20世纪80年代以前，人们知道的碳的同素异形体只有石墨、金刚石和无定形碳三种。20世纪80年代后接连发现了碳的同素异形体富勒烯(碳60，C60)、碳纳米管和石墨烯。特别是2004年发现的石墨烯(Graphene)是一种碳元素的原子尺度上的二维平面晶体，打破了传统物理学的概念，形成了科学上的新理论和新技术，也为材料科学领域带来了一种神奇的新材料。

制备石墨烯的方法主要是化学气相沉积法(CVD)和天然石墨矿剥离法。CVD法的技术难度大，成本高，产量小，只适合于制备少量石墨烯单晶。目前采用天然石墨矿剥离法制备氧化石墨烯(GO)粉体主要是用浓硫酸、浓硝酸等强氧化剂处理鳞片石墨矿，从中剥离出少数几层的石墨烯碎片。上述天然石墨矿剥离法不仅消耗天然化石矿物，还会造成环境污染，后续的环境处理的代价很高。而且，得到的氧化石墨烯带有较多的含氧官能团，一定程度上偏离了石墨烯的化学结构和物理性质，在结构上不稳定，倾向于自发聚合叠加，恢复成石墨的结构，从而失去石墨烯的优良性质。近期出现的鳞片石墨矿机械剥离法制备石墨烯粉体的方法的能耗较大，石墨烯的层数越少，能耗越高，且剥离出的少层石墨烯易于叠加，恢复石墨的结构，丧失石墨烯的优良性质。

生物质主要包括庄稼秸秆和林业下脚料等绿色可再生资源，与碳材料有深刻的渊源，自古以来就是制备各种碳素材料的原料。近年来有不少用生物质制备石墨烯的研究，已有用玉米芯等原料制备石墨烯的专利。但生物质是含有多种成分的复杂物质，包括纤维素、半纤维素和木质素三种主要成分，各种成分有不同的化学组成和不同的晶体结构形态，并不是每种成分和每个晶体形态都适合于制备石墨烯。生物质有植物的细胞组织结构，未经分离和炼制处理的生物质在碳化后往往仍保持着植物的细胞组织结构形态，只能制备出木炭、草炭和活性炭等初级产品，虽然其中可能含有少量石墨烯的片段，但不能称为石墨烯。

因此，经过生物炼制，选择合适的生物质组分和适当晶体形态的原料，有目标地制备出形貌优异的石墨烯，是目前生物质石墨烯制备科学研究的热点议题之一。

【发明内容】

有鉴于此，本发明通过酸、碱水解的方法，去除生物质中的木质素和半纤维素，并把纤维素转化为二维(2D)晶体形态的纤维素前驱体，制备石墨烯2D粉体，通过该方法制备出的石墨烯2D粉体有清晰的蜂窝状六边形2D晶体结构，碳原子占比高，杂原子含量少，约6层以内。

我们的研究发现，某些植物的纤维是中空的管状结构，如棉花、木棉和甘蔗纤维等，经酸、碱水解，管壁破裂，可转化成纤维素的二维(2D)晶体，其中葡萄糖单元通过1-4糖苷键组成的分子链平行排列，凭借相互间的氢键结合为成平面2D晶体，图1是纤维素平面2D晶体的化学结构图，按其范德华半径计算，厚度约为0.7nm。

纤维素是碳水化合物，分子通式为(C₆H₁₀O₅)_n，在高温下发生脱水和碳化反应：

(C₆H₁₀O₅)_n→nC₆+n5H₂O