一種利用木質(zhì)素制備石墨烯的方法
【技術領域】
[0001 ]本發(fā)明涉及納米材料制備技術領域，特別涉及一種石墨稀制備方法。
【背景技術】
[0002]2004年石墨烯材料被成功制備，自此引發(fā)了新一波碳素材料研究的熱潮。石墨烯是由一層碳原子組成的平面碳納米材料，是目前已知最薄的二維材料，其厚度僅為
0.335nm，它由六邊形的晶格組成。石墨烯中的碳原子之間由σ鍵連接，賦予了石墨烯極其優(yōu)異的力學性質(zhì)和結(jié)構(gòu)剛性。而且，在石墨烯中，每個碳原子都有一個未成鍵的Ρ電子，這些Ρ電子可以在晶體中自由移動，且運動速度高達光速的1/300，賦予了石墨烯良好的導電性。在光學方面，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。憑借這些奇特的力學、光學和電學性質(zhì)，石墨烯擁有十分廣闊的發(fā)展前景。
[0003]為了讓優(yōu)秀的石墨烯材料實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和應用，就必須開發(fā)出一種可大規(guī)模生產(chǎn)且層數(shù)和尺寸可控的制備方法。目前石墨烯的制備方法有機械剝離法、外延生長法、氧化還原法、超聲剝離法、有機合成法、溶劑熱法、化學氣相沉積法等。在這些方法中，在這些方法中，機械剝離法和外延生長法制備效率很低，難以滿足大規(guī)模的需要?；瘜W氣相沉積法雖然可以獲得大尺寸連續(xù)的石墨烯薄膜，適用于電子器件或透明導電薄膜，卻不能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。氧化還原法制備石墨烯材料粉體的成本低廉且容易實現(xiàn)，但是會產(chǎn)生大量的廢液，對環(huán)境造成嚴重污染，限制了石墨烯的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。這些方法都是以石墨礦作為原材，這種礦產(chǎn)資源是不可循環(huán)再生的，不利于石墨烯的大規(guī)模生產(chǎn)。
[0004]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)代化學工業(yè)中有著極高的潛在應用價值。其產(chǎn)量巨大，但應用極低。從其化學組分分析，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。
[0005]中國專利公開號103466613Α公開了一種以木質(zhì)素為原料制備石墨烯的方法。該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，勻速通入惰性保護氣體，同時在爐內(nèi)以恒定的升溫速率將樣品從室溫加熱至目標溫度，并在目標溫度下保持，待樣品溫度降至室溫時，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。然而，該方法采用無氧燒結(jié)，燒結(jié)溫度達到1500 °C，對設備要求高，設備制備成本提高，不可能應用于大規(guī)模生產(chǎn)。
[0006]中國專利公開號103935986A公開了一種以生物碳源材料高產(chǎn)率制備石墨烯的方法，包括如下步驟:生物碳源材料經(jīng)微波處理后加入到酸液中，再經(jīng)水洗、干燥處理，得到預處理的生物碳源材料;將預處理的生物碳源材料與催化劑混合，在600-1600°C、保護氣體存在下煅燒l_12h，冷卻后得到所述的石墨烯。該方法極大地降低了生產(chǎn)成本，實現(xiàn)了石墨烯的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。然而，該方法中使用到了一些貴金屬催化劑，不僅成本提高，制備的石墨烯面積小，結(jié)晶差，不利于石墨烯的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
[0007]綜上所述，現(xiàn)在已有利用木質(zhì)素制備石墨烯的方法中還沒有一種對生產(chǎn)設備沒有特殊要求，適合大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低廉的制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了解決上述方法的不足和缺陷，本發(fā)明開發(fā)出一種利用木質(zhì)素制備石墨烯的方法，采用高溫高壓分解木質(zhì)素，獲得高能量的碳原子，在催化劑的作用下生長石墨烯。本發(fā)明提供上述方法不僅降低了石墨烯制備溫度，而且制備工藝過程簡單，經(jīng)濟環(huán)保，適合于工業(yè)生產(chǎn)。
[0009]本發(fā)明提供一種利用木質(zhì)素制備石墨烯的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟:
a.將木質(zhì)素與堿溶液混合固液體積比為1:5-10，加熱溶液溫度至70-100 °C，保溫處理時間為1-3小時；
b.將經(jīng)堿處理后的物料進行過濾、洗滌得到固體和液體，將固體在60-80°C下干燥得到預處理木質(zhì)素；
c.將b步驟所得的預處理木質(zhì)素中加入催化劑，利用高壓均質(zhì)機充分混合，均質(zhì)機順時壓力達到20-100MPa，物料通過高壓均質(zhì)噴嘴對撞后，匯集流向狹縫的均質(zhì)閥，使非均一的木質(zhì)素均化并裂解，使裂解碳與催化劑均化處于獲得高能量狀態(tài)；
d.將c步驟中獲得的混合物放入高壓釜，沖入惰性氣體，以0.1-lMPa/s的速度增加壓力至20-50MPa，將混合物以30_60°C/min的固定升溫速率將樣品從室溫加熱至500°C_800°C，并在此溫度下保持30-120min，經(jīng)過處理降至常溫常壓，獲得石墨烯。
[0010]優(yōu)選的，所述堿溶液為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水中至少一種的水溶液。
[0011 ]優(yōu)選的，所述堿溶液用堿量為木質(zhì)素的重量的10-30%。
[0012]優(yōu)選的，所述催化劑為鐵粉、鎳粉、銅粉、硝酸鎳、氧化鐵中的至少一種。
[0013]優(yōu)選的，所述高壓均質(zhì)機工作壓力參數(shù)為80MPa。
[0014]優(yōu)選的，所述惰性氣體為氬氣、氦氣、氮氣中的至少一種。
[0015]本申請實施例中的上述一個或多個技術方案，至少具有如下一種或多種技術效果:
1、本發(fā)明采用高溫高壓分解木質(zhì)素，獲得高能量的碳原子，在催化劑的作用下生長石墨烯。本發(fā)明提供上述方法不僅降低了石墨烯制備溫度，而且制備工藝過程簡單。
[0016]2、本發(fā)明采用普通金屬和金屬離子化合物作為催化劑，安全無毒，成本低廉。
[0017]3、本發(fā)明采用木質(zhì)素作為碳源，取材廣泛，有利于降低生產(chǎn)成本，有利于于工業(yè)生產(chǎn)。
【具體實施方式】
[0018]通過【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但不應將此理解為本發(fā)明的范圍僅限于以下的實例。在不脫離本發(fā)明上述方法思想的情況下，根據(jù)本領域普通技術知識和慣用手段做出的各種替換或變更，均應包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0019]實施例一
本實施例包括如下步驟:
取lkg木質(zhì)素放入10kg氫氧化鈉溶液中，氫氧化鈉溶液中含氫氧化鈉質(zhì)量為0.lkg，加熱溶液溫度至70°C，保溫處理時間為1小時，接下來將經(jīng)氫氧化鈉溶液處理后的物料進行過濾、洗滌得到的固體物質(zhì)在60°C下干燥20小時獲得預處理木質(zhì)素。將預處理木質(zhì)素中加入12g鐵粉，將高壓均質(zhì)機工作壓強設置為20MPa，物料通過高壓均質(zhì)噴嘴對撞后，匯集流向狹縫的均質(zhì)閥，使非均一的木質(zhì)素均化并裂解，使裂解碳與催化劑均化處于獲得高能量狀態(tài)，充分獲得混合預處理的木質(zhì)素和鐵粉混合物，將獲得的混合物放入高壓釜，充入氮氣，以0.1MPa/s的速度增加壓力至20MPa，將混合物以30°C/min的固定升溫速率從室溫加熱至500°C，并在500°C下保持30min，經(jīng)過處理降至常溫常壓，獲得石墨烯。經(jīng)檢測，實施例一中制備得到的石墨烯片層的平均厚度為0.82 nm，產(chǎn)率為3.9%。
[0020]實施例二
本實施例包括如下步驟:
取lkg木質(zhì)素放入10kg氫氧化鈉溶液中，氫氧化鈉溶液中含氫氧化鈉質(zhì)量為0.lkg，加熱溶液溫度至70°C，保溫處理時間為1小時，接下來將經(jīng)氫氧化鈉溶液處理后的物料進行過濾、洗滌得到的固體物質(zhì)在60°C下干燥20小時獲得預處理木質(zhì)素。將預處理木質(zhì)素中加入100g鐵粉，將高壓均質(zhì)機工作壓強設置為20MPa，物料通過高壓均質(zhì)噴嘴對撞后，匯集流向狹縫的均質(zhì)閥，使非均一的木質(zhì)素均化并裂解，使裂解碳與催化劑均化處于獲得高能量狀態(tài)，充分獲得混合預處理的木質(zhì)素和鐵粉混合物，將獲得的混合物放入高壓釜，充入氮氣，以0.1MPa/s的速度增加壓力至20MPa，將混合物以30°C/min的固定升溫速率從室溫加熱至50