[发明专利]一种利用纳米纤维素制备二维类石墨烯碳纳米片的方法

说明书

本发明公开了一种利用纳米纤维素制备二维类石墨烯碳纳米片的方法，属于二维类石墨烯碳纳米片制备技术领域，具体公开了以下步骤：1)原料预处理；2)脱除木质素；3)脱除半纤维素；4)机械处理；5)冷冻、干燥后煅烧，自然降温至室温后，得到二维类石墨烯碳纳米片。本发明通过调控纳米纤维素水分散液的浓度以及后续的高温碳化重组可以制备得到的二维类石墨烯碳纳米片。

技术领域

本发明涉及二维碳纳米片制备技术领域，更具体的说是涉及一种利用纳米纤维素制备二维类石墨烯碳纳米片的方法。

背景技术

二维类石墨烯碳纳米片具有比表面积大、孔结构丰富以及导电性高等优点，因此在物理、化学、材料科学和生物工程等许多学科领域具有广泛的应用前景。目前，通过生物质制备二维类石墨烯碳纳米片的方法主要是将生物质碳材料进行“减薄”处理，包括化学活化和机械剥离等方法。二维类石墨烯碳纳米片的特性很大程度上取决于制造工艺和前驱体。

纳米纤维素是自然界中含量最为丰富、可再生的天然有机高分子，其具有绿色环保、价格低廉等优点，是一种取之不尽用之不竭的绿色生物质资源。纳米纤维素的研究开发与利用已经是全球可持续发展的重要课题之一，且已广泛应用于力学、光学、热力学、电学和催化等领域。

纳米纤维素具有较高的碳含量。因此，它是制备碳基多孔材料或碳杂化材料的理想前体。且纳米纤维素纤维具有高的长径比，可以相互纠缠成网状结构，为纳米纤维素碳化重组制备二维类石墨烯碳纳米片提供可能。

因此，如何提供一种利用纳米纤维素制备二维类石墨烯碳纳米片的方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种通过调整纳米纤维素水分散液的浓度以及后续的碳化工艺就可以使纳米纤维素结构重组制备出二维类石墨烯碳纳米片的方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用纳米纤维素制备二维类石墨烯碳纳米片的方法，具体包括以下步骤：

1)原料预处理：将生物质纤维加入苯醇溶液中进行抽提，然后进行过滤，收集滤渣；

2)脱除木质素：向所述滤渣中加入酸性亚氯酸钠溶液并进行水浴加热，然后过滤，重复上述操作后，收集滤渣并清洗至中性，得到样品；

3)脱除半纤维素：将所述样品加入氢氧化钾溶液并进行水浴加热，然后清洗至中性，得到纯化纤维素；

4)机械处理：向所述纯化纤维素中加入蒸馏水，并对其进行超声处理或高压匀质处理，得到纳米纤维素水分散液；

5)冷冻、干燥后煅烧：将所述纳米纤维素水分散液冷冻后干燥，然后在惰性气体保护下加热煅烧，自然降温至室温后，得到二维类石墨烯碳纳米片。

有益效果：上述工艺步骤能够使得一维纳米纤维素间的含氧官能团在冷冻干燥和高温碳化的过程中形成氢键作用，致使结构发生重组，最终得到二维类石墨烯碳纳米片。

优选的，步骤1)中所述生物质纤维和苯醇溶液的质量比为1:(60～100)；

所述生物质纤维直径为60目；

所述苯醇溶液为苯：乙醇体积比为2:1的混合溶液；

所述生物质纤维为木纤维、棉纤维中的一种；

所述抽提温度为90℃，抽提时间为6h。

有益效果：通过上述工艺可以脱除生物质纤维中的蜡质、脂质、单宁和色素等。

优选的，步骤2)中所述酸性亚氯酸钠溶液的质量浓度为1％～2％，pH为4～5；

所述酸性亚氯酸钠溶液的制备方法包括以下步骤：