[发明专利]多级孔石墨烯的制备方法、多级孔石墨烯的应用

说明书

本发明涉及一种多级孔石墨烯的制备方法、多级孔石墨烯的应用，属于石墨烯材料技术领域。所述制备方法首先通过碳酸盐或碱式碳酸盐活化得到高石墨化高比表面积的多孔碳，然后采取一种类似爆“爆米花”的绿色微波爆破法制备多级孔石墨烯材料。所得多级孔石墨烯应用于锂离子电容器中表现出优异的电化学性能。和现有技术相比，本发明以工业木质素为原料，简单高效地获取石墨烯多级孔材料，有利于节能降耗，并且获得的具有较大比表面积及良好多孔性的石墨烯材料，将助力其应用于锂离子电池和超级电容器电极材料等能源存储领域。

技术领域

本发明公开了一种多级孔石墨烯的制备方法、多级孔石墨烯的应用，属于石墨烯材料技术领域。

背景技术

石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层碳原子厚度的二维晶体，是目前发现的厚度最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，被称为新材料之王。理想的石墨烯可以看作是一层被剥离的石墨分子，结构是平面六边形点阵，每个碳原子均为sp²杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。石墨烯的制备对于现代科学与技术，特别是对于新能源领域的发展具有重要意义。

石墨烯的制备方法主要有：机械球磨法、氧化还原法和化学气相沉积法。氧化还原法中经典的hummer法是目前比较常用的方法，先将石墨通过强酸/强氧化剂氧化得到氧化石墨烯，再经过还原得到氧化还原石墨烯。尽管这种方法操作简便、产量大，但石墨烯的质量较差，生产过程危险性较大且易产生二次污染。

木质素广泛存在于自然界植物体中，是植物体的重要组成部分，且储量丰富，产量仅次于纤维素。工业木质素主要来自于制浆造纸废水和生物炼制残渣，我国每年工业木质素的产量高达5000万吨。国内外，工业木质素的高质资源化利用已经研究多年，目前仅3％左右可以作为填料有效应用于农药、混凝土、染料等行业。众所周知，木质素分子的含碳量高达50％～60％，是制备碳材料的理想前驱体。此外，木质素是自然界植物体内唯一具有芳香环的高分子聚合物，更是制备高石墨化碳和石墨烯的优质碳源。

现有技术中，将工业木质素转化为石墨烯的研究屡见不鲜，常用的方法主要是催化法(CN108751171A、CN107235484A、CN111072014A、CN105439135A、CN111646461A、CN106241780A)、高温碳化活化法(CN109292760B、CN110627050A、CN106495132A、CN109319764A)、水热法(CN108977198A)、复合法(CN106587019A、CN106044744B、CN105236391A)等。上述方法具有一定的普适性，对于生物质转化石墨烯均较为适用，但是能耗较大、操作复杂。

发明内容

本发明是针对上述现有技术的不足，提供一种多级孔石墨烯的制备方法。以该方法制备的石墨烯具有以均匀介孔为主，兼具大孔和微孔的多级孔道结构。

在本发明中，所述的多孔石墨烯的多孔结构应该理解为介孔率不低于50％，比表面积不低于1000m²·g^-1，多级孔道应该理解是含有大孔、微孔和介孔。

在本发明中，所述木质素为工业木质素，包括麦草碱木质素、竹浆碱木质素、芦苇碱木质素、木浆碱木质素、棉浆碱木质素、硫酸盐木质素、木质素磺酸钠、酶水解木质素和蔗渣碱木质素中的至少一种。

申请人针对木质素结构及碳化研究发现，木质素碳化后可最大限度的保留其芳香性结构，这种结构和石墨层的碳六环相似，可以通过简单的剥离方法将其转化为石墨烯。