一種以木質(zhì)素為原料制備石墨烯的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種以木質(zhì)素為原料制備石墨烯的方法，這種方法首先將裝有木質(zhì)素和催化劑的瓷質(zhì)樣品舟放入鉸鏈管式爐中，勻速通入惰性保護(hù)氣體，同時(shí)在爐內(nèi)以恒定的升溫速率將樣品從室溫加熱至目標(biāo)溫度，并在目標(biāo)溫度下保持，待樣品溫度降至室溫時(shí)，將樣品取出，經(jīng)去離子水洗滌、真空抽濾、低溫烘干后，即得石墨烯。本發(fā)明的制備工藝簡便，所得石墨烯品質(zhì)優(yōu)良，且產(chǎn)率可觀。
【專利說明】一種以木質(zhì)素為原料制備石墨烯的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及碳材料制作工藝【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種以木質(zhì)素為原料制備石墨烯的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]木質(zhì)素是一種天然可再生資源，有許多優(yōu)異性能，在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中有著極高的潛在應(yīng)用價(jià)值。其產(chǎn)量巨大，但應(yīng)用極低。作為制漿和造紙工業(yè)的副產(chǎn)物，絕大部分工業(yè)木質(zhì)素常被直接焚燒，既污染環(huán)境又浪費(fèi)資源，推進(jìn)和加快木質(zhì)素高值化應(yīng)用是當(dāng)前社會(huì)一個(gè)亟待解決的問題。木質(zhì)素中大約有65%的碳，在制備碳材料方面有著巨大潛力。
[0003]石墨烯是近年來成為研究熱潮的一種二維先進(jìn)碳材料，它只有一個(gè)碳原子厚度，是目前最薄也是最堅(jiān)硬的納米材料，有著卓越的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能，在電子、機(jī)械、能源、化工等領(lǐng)域均有著極高的應(yīng)用價(jià)值，占據(jù)著科學(xué)研究的前沿。而方便地制備出低成本的石墨烯是實(shí)現(xiàn)石墨烯優(yōu)異性能的前提，因此，制備技術(shù)一直是石墨烯研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容。
[0004]目前文獻(xiàn)報(bào)道的石墨烯的制備方法主要有三種:微機(jī)械剝離法、氧化還原法和化學(xué)氣相沉淀法。微機(jī)械剝離法只能制備微量產(chǎn)品，且偶然性較大，難以大規(guī)模生產(chǎn)，只適合于實(shí)驗(yàn)室研究。氧化還原法反應(yīng)周期長，產(chǎn)率低，化學(xué)試劑對(duì)石墨烯的結(jié)構(gòu)破壞較大，且所用肼類試劑毒性極強(qiáng)，不利于應(yīng)用?；瘜W(xué)氣相沉淀法要求條件比較苛刻，需要基底，且不易制備大尺寸石墨烯，限制了其應(yīng)用進(jìn)程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種以木質(zhì)素為原料制備石墨烯的方法，從生物質(zhì)資源高值化利用問題出發(fā)，通過對(duì)木質(zhì)素進(jìn)行簡單熱處理的方法制備石墨烯，有利于綜合解決木質(zhì)素資源利用和石墨烯應(yīng)用需求的重大問題。
[0006]本發(fā)明所解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
一種以木質(zhì)素為原料制備石墨烯的方法，包括以下步驟:
1)將裝有木質(zhì)素和催化劑的瓷質(zhì)樣品舟放入鉸鏈管式爐中，勻速通入惰性保護(hù)氣體，其中，通入惰性保護(hù)氣體的速率為500ml/mirT2000ml/min，通氣時(shí)間為5mirT30min ；
2)在鉸鏈管式爐內(nèi)以5°C/mirT3(TC /min的固定升溫速率將樣品從室溫加熱至目標(biāo)溫度，并在此目標(biāo)溫度下保持30mirTl2()min ；
3)待樣品溫度降至室溫附近時(shí)，將樣品取出，經(jīng)去離子水洗滌、真空抽濾、低溫烘干后，即得石墨稀。
[0007]本發(fā)明中，所述木質(zhì)素可以是堿木質(zhì)素、木質(zhì)素磺酸鹽、磨木木質(zhì)素、溶劑型木質(zhì)素中的任意一種。
[0008]在本發(fā)明中，所述催化劑可以是鐵粉、鎳粉、硝酸鐵、硝酸鎳、醋酸鎳、堿式醋酸鐵、氯化鐵、硫酸鐵、氧化鐵、檸檬酸鐵的一種或幾種的組合。
[0009]在本發(fā)明中，所述催化劑和木質(zhì)素的質(zhì)量比可以是1:8~1:3。[0010]在本發(fā)明中，所述目標(biāo)溫度可以是500°C~1500°C。
[0011 ] 在本發(fā)明中，所述惰性保護(hù)氣體可以是氮?dú)饣驓鍤狻?br> [0012]在本發(fā)明中，所述步驟3中的離子水洗滌后，還可進(jìn)行稀酸洗滌，以提高其洗滌效果，并可調(diào)整其PH值。在此過程中采用的稀酸可以是稀鹽酸、稀硫酸、稀硝酸的任意一種。
[0013]有益效果:本發(fā)明制備方法和所需設(shè)備簡單，所用木質(zhì)素價(jià)格低廉，綠色環(huán)保。本發(fā)明制得的石墨烯由不多于十層的二維六方碳單片層組成，可以用于導(dǎo)電電極、復(fù)合材料改性、化學(xué)傳感等領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明方法制備的石墨烯的拉曼光譜。
[0015]圖2為本發(fā)明方法制備的石墨烯的掃描電鏡照片。
[0016]圖3為本發(fā)明方法制備的石墨烯的透射電鏡照片和選區(qū)電子衍射。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面舉以下多個(gè)實(shí)施例其各個(gè)性質(zhì)圖譜對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0018]實(shí)施例1:
在室溫下，將質(zhì)量比為1:8的鎳粉和堿木質(zhì)素混合均勻后，轉(zhuǎn)移至瓷質(zhì)樣品舟中。接著將瓷質(zhì)樣品舟放入鉸鏈管式爐中，打開氮?dú)忾y以500ml/min的流速通入氮?dú)?30min后，以300C /min的升溫速率將樣品加 熱至1500°C，并在此溫度下保持30min ;關(guān)閉加熱開關(guān)，待樣品溫度降至室溫附近時(shí)，將樣品取出，經(jīng)去離子水洗滌、稀硝酸洗滌、去離子水洗滌、真空抽濾、低溫烘干后，即得石墨烯。
[0019]實(shí)施例2:
在室溫下，將質(zhì)量比為1:3的檸檬酸鐵和木質(zhì)素磺酸鹽混合均勻后，轉(zhuǎn)移至瓷質(zhì)樣品舟中。接著將瓷質(zhì)樣品舟放入鉸鏈管式爐中，打開氬氣閥以2000ml/min的流速通入氬氣，5min后，以5°C /min的升溫速率將樣品加熱至500°C，并在此溫度下保持120min ;關(guān)閉加熱開關(guān)，待樣品溫度降至室溫附近時(shí)，將樣品取出，經(jīng)去離子水洗滌、真空抽濾、低溫烘干后，即得石墨稀。
[0020]實(shí)施例3:
在室溫下，將質(zhì)量比為1:5的醋酸鎳和溶劑型木質(zhì)素混合均勻后，轉(zhuǎn)移至瓷質(zhì)樣品舟中。接著將瓷質(zhì)樣品舟放入鉸鏈管式爐中，打開氮?dú)忾y以lOOOml/min的流速通入氮?dú)猓?0min后，以20°C /min的升溫速率將樣品加熱至1200°C，并在此溫度下保持45min ;關(guān)閉加熱開關(guān)，待樣品溫度降至室溫附近時(shí)，將樣品取出，經(jīng)去離子水洗滌、真空抽濾、低溫烘干后，即得石墨稀。
[0021]實(shí)施例4:
在室溫下，將質(zhì)量比為1:6的鐵粉和磨木木質(zhì)素混合均勻后，轉(zhuǎn)移至瓷質(zhì)樣品舟中。接著將瓷質(zhì)樣品舟放入鉸鏈管式爐中，打開IS氣閥以1500ml/min的流速通入IS氣，15min后，以10°C /min的升溫速率將樣品加熱至800°C，并在此溫度下保持90min ;關(guān)閉加熱開關(guān)，待樣品溫度降至室溫附近時(shí)，將樣品取出，經(jīng)去離子水洗滌、稀鹽酸洗滌、去離子水洗滌、真空抽濾、低溫烘干后，即得石墨烯。[0022]在上述實(shí)施例中，由實(shí)施例制得的石墨烯的拉曼光譜圖如圖1所示，而其電鏡掃描圖片如圖2所示，由此可得，其制備的石墨烯不但品質(zhì)較高，同時(shí)，由于由二維六方碳單片層組成，亦具備較佳的理化性能。而其在透射電鏡下的透射電鏡照片和選區(qū)電子衍射如圖3所示，也能有效推測(cè)出其與傳統(tǒng)方式制備的石墨烯基本無差別。
[0023]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的 本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種以木質(zhì)素為原料制備石墨烯的方法，其特征在于，包括以下制備步驟: ①將催化劑和木質(zhì)素按1:8~1:3的比例裝入瓷質(zhì)樣品舟中，并將此瓷質(zhì)樣品舟放入鉸鏈管式爐中，勻速通入惰性保護(hù)氣體，其通入惰性保護(hù)氣體的速率為500ml/mirT2000ml/min,通氣時(shí)間為5min~30min,且在此步驟中，采用的所述木質(zhì)素為堿木質(zhì)素、木質(zhì)素磺酸鹽、磨木木質(zhì)素、溶劑型木質(zhì)素中的任意一種； ②在鉸鏈管式爐內(nèi)以5°C/mirT3(TC /min的固定升溫速率將樣品從室溫加熱至5000C~1500°C，并在此溫度下保持30mirTl20min ； ③待樣品溫度降至室溫附近時(shí)，將樣品取出，經(jīng)去離子水洗滌、真空抽濾、低溫烘干后，即得石墨稀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以木質(zhì)素為原料制備石墨烯的方法，其特征在于，所述催化劑為鐵粉、鎳粉、硝酸鐵、硝酸鎳、醋酸鎳、堿式醋酸鐵、氯化鐵、硫酸鐵、氧化鐵、檸檬酸鐵中的一種或幾種的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以木質(zhì)素為原料制備石墨烯的方法，其特征在于，所述惰性保護(hù)氣體為氮?dú)饣驓鍤狻?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以木質(zhì)素為原料制備石墨烯的方法，其特征在于，所述步驟3中的離子水洗滌后、真空抽濾前，增加稀酸洗滌步驟，采用的稀酸為稀鹽酸、稀硫酸、稀硝酸中的任意一種。
【文檔編號(hào)】C01B31/04GK103466613SQ201310472057
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月11日
【發(fā)明者】張新荔, 吳義強(qiáng), 蔡智勇, 張繼雷 申請(qǐng)人:中南林業(yè)科技大學(xué)