[发明专利]一种基于生物质废弃物制备类石墨烯材料的方法及其应用

说明书

本发明公开了一种基于生物质废弃物制备类石墨烯材料的方法及其应用，涉及石墨烯材料技术领域。制备方法包括：碳化、活化、水热氧化以及超声剥离。本发明所提供的生物质材料具有高的氮含量和一维管状结构等特点，且所制备的类石墨烯层数少、电化学性能优异、成本低，可以应用于超级电容器电极材料领域。

技术领域

本发明涉及石墨烯材料技术领域，更具体地说是涉及一种基于生物质废弃物制备类石墨烯材料的方法及其应用。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成的六角形呈蜂巢晶格结构的二维碳纳米材料。除了独特的二维结构外，石墨烯材料还具有优异的光学、电学、力学、热学和磁学性能。石墨烯是完全离散的单层石墨材料，具有较高的理论比表面积(约2600m²g^-1)，这可在其整个表面上形成双电层，因此它被用于超级电容器电极材料具有独特的优势。

目前制备石墨烯的方法有许多种，例如，微机械剥离法，外延生长法，化学气相沉积法，氧化还原法等。但是，在众多制备石墨烯的方法中还存在一些无法攻克的难题，例如：产率低、成本高、环境污染严重等。

此外，在石墨烯的制备和应用过程中，石墨烯片层极易团聚，使它减少了形成有效双电层的面积。因此，制备高性能石墨烯基电极材料的关键是克服石墨烯片层间的团聚现象。

因此，如何提供一种克服石墨烯片层间的团聚现象、比表面积高、电化学性能优异、工艺简单、成本低的类石墨烯材料是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于生物质废弃物制备类石墨烯材料的方法及其应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于生物质废弃物制备类石墨烯材料的方法，具体包括下述步骤：

1)碳化：生物质废弃物在保护气保护下加热煅烧，煅烧温度600～1500℃，煅烧时间1～5h，得到碳化生物质材料；

利用生物质废弃物作为原料，经过简单高效无污染的方法就可以制备出结构独特、性能优异的类石墨烯材料，有效解决了石墨烯在生产过程中产率低、成本高、环境污染严重等难题。

掺杂氮原子可以优化石墨烯的结构和特性，在一定程度上可以克服石墨烯片层间的团聚。对于具有结构多样性的生物质材料中，有些生物质材料自身具有一定的含氮量，因此在制备材料过程中，不需要额外引入氮掺杂剂，利用生物质材料的自掺杂就能在碳材料中引入氮原子，简化材料制备过程，降低成本。

2)活化：将碳化生物质材料与活化剂搅拌混合后进行干燥，干燥温度80℃，并在保护气保护下加热煅烧，煅烧温度400～1500℃，煅烧时间1～5h，得到活化混合物；

3)水热氧化：将活化混合物置于盛有酸液的水热反应釜内进行反应，反应温度为120～220℃，反应时间为6～12h，得水热氧化混合物；

4)超声剥离：对水热氧化混合物清洗后进行超声剥离，得到生物质基类石墨烯材料的分散液；

5)将生物质基类石墨烯材料的分散液经冷冻干燥，即得到生物质基类石墨烯材料。

氮原子自掺杂到类石墨烯材料的结构中，提高了材料的浸润性和导电性；活化处理增加了材料的孔隙，增大了材料的比表面积；水热氧化处理增加了材料的含氧官能团，增加了材料的赝电容，最终获得具有优异电化学性能的类石墨烯材料。

优选的，步骤1)中所述生物质废弃物为萝藦、柳絮、杨絮、蒲公英、棉花中的任意一种或几种。