[发明专利]一种低成本制备三维多孔石墨烯的制备工艺

说明书

本发明属于碳纳米材料领域，具体涉及一种低成本制备三维多孔石墨烯的制备工艺。本发明所选的碳源是以废弃煤矸石为基本原材，实现了废弃煤矸石的资源化再利用，可以节约材料，降低能耗。加入了金属催化剂，使石墨化进程加速，石墨温度降低，石墨化程度增大，层间距增大，更容易插层，剥离得到的石墨烯品质更高。使用氧化石墨烯水溶液为前驱体进行原位自组装，有效减少了石墨烯片层之间的堆叠，保留了石墨烯的优异性能。采用低成本的制备工艺，低成本的碳源制得了品质较高的三维多孔石墨烯，并可大量制备，有助于其下游产品的研发：污染物吸附，电阻型气体传感器、锂离子电池、超级电容器、改性水泥混凝土等。

技术领域

本发明属于碳纳米材料领域，具体涉及一种低成本制备三维多孔石墨烯的制备工艺。

背景技术

2004年，Andre Geim和Konstantin Novoselov首次从石墨中剥离出石墨烯，它是一种由sp²杂化C原子以共价键形式形成的无限六元环单元的二维纳米材料。石墨烯被认为是所有其他维度碳纳米材料的基本组成单位，可以被包裹成零维富希勒体，卷曲成一维碳纳米管，堆叠成三维石墨。石墨烯具有强度最高(1.0TPa)、拉伸强度最大(130GPa)、比表面积最大(2630m²/g)等优点。此外，室温下石墨烯的电子迁移率高达15000cm²/V，导热系数高达3000-5000w/(m·K)。石墨烯凭借其优良的性能，吸引了国内外诸多学者的关注，一度成为研究热点。

但是石墨烯因为片层之间的π-π堆叠作用和较强的范德华力，极易发生团聚，会使比表面积大幅度缩小，从而大大降低了其力学性能和电导性，严重限制了优异性能的发挥。解决上述问题策略之一就是构建多孔的三维网状石墨烯，三维多孔石墨烯不仅保留了石墨烯优异的性能，而且具有低密度、高比面积、高孔隙率、低热导率等优点，可被广泛应用于光子学、催化、电池、超级电容器和生物科学等诸多领域。

石墨烯及其衍生物因为优异的性能一度成为研究者们关注的热点，但是其制备成本昂贵，极大限制了其下游产品的开发。为此需要迫切寻求一种低成本的制备石墨烯及其衍生物的制备工艺。目前石墨烯及其衍生物的主要制备原材是以碳粉为原材进行制备，但是碳粉价格昂贵，价格高达5000-8000元/吨，而且作为战略储备资源价格仍在上涨。煤炭是地球上蕴藏量最丰富，分布地域最广的化石燃料。构成煤炭有机质的元素主要有碳、氢、氧、氮和硫等，其中碳、氢、氧是煤炭有机质的主体，占95％以上；而且煤化程度越深，碳的含量越高，氢和氧的含量越低。这就决定了煤炭是可以作为制备石墨烯及其衍生物的原材料的。

煤矸石是煤炭资源开采过程中伴生的废弃碳源，是碳质、泥质和砂质页岩的混合物，具有低发热值，含碳20％-30％，有些含有腐殖酸。中国历年已积存煤矸石约1000Mt，并且每年仍继续排放约100Mt，不仅堆积占地，而且还能自燃污染空气或引起火灾。煤矸石的固有碳含量同样可作为石墨烯及其衍生物的制备原材，而且对于煤矸石的处理符合固体废弃物资源化再利用。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，提供了一种低成本制备三维多孔石墨烯的制备工艺，以废弃煤矸石为碳源，并且克服了现有煤基石墨烯的制备方法的不足，解决废弃煤矸石的资源化利用以及为石墨烯的研究提供思路，并可扩大其下游产品的开发和利用。本发明制备简单，易于操作，可以有效剔除废弃煤矸石中的有害杂质，所制备的三维网状石墨烯品质良好、纯度较高，可以是任意一种所需要的形态的选择，可根据市场客户需求定制配方，包括污染物吸附、气体传感器、锂离子电池、超级电容器、改性水泥混凝土等多个领域。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案。

一种低成本制备三维多孔石墨烯的制备工艺，具体包括如下步骤：

步骤1、从无烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤中的一种或者多种组合中所选取煤矸石的残煤煤源。

步骤2、对所选的煤矸石残煤煤源进行机械粉碎。