[發明專利]一種以一次性紙質餐具為原料制備石墨烯的方法

有效

• 申請號: 201410102026.7
• 申請日: 2014-03-19
• 公開（公告）號: CN103818900A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發明（設計）人: 張新荔;吳義強
• 申請（專利權）人: 中南林業科技大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

技術領域

本發明涉及碳材料制作工藝技術領域，具體為一種以一次性紙質餐具為原料制備石墨烯的方法。

背景技術

一次性紙質餐具（如紙杯、紙碗、紙盤等）是一類方便攜帶和使用，價格低廉的紙質容器，用完即被扔掉，是許多家庭、快餐店、飲料鋪以及其他公共場所常見的喝水和餐飲工具。一次性紙質餐具給人們的生活帶來便利的同時也造成了大量的白色污染。據統計，國內每年至少有100億份一次性紙質餐具被隨意丟棄。一次性紙質餐具的內層通常含有聚乙烯淋膜，淋膜與紙分離困難導致二者均無法回收，因而絕大多數一次性紙質餐具被當作垃圾直接焚燒。合理處理一次性紙質餐具，使廢棄資源得以再利用對于當前創建資源節約型社會和減少環境污染具有重大意義。

石墨烯是碳原子緊密堆積成單層蜂窩狀晶格結構的二維碳材料，是構建零維富勒烯、一維納米碳管、三維石墨的基本單元，也是目前最理想的先進納米材料。石墨烯是目前強度最高，導電和導熱性最好的材料，在電池、傳感、超級電容、能量儲存、納米復合等技術領域擁有廣泛的應用前景，世界各國無一不把它作為關鍵材料來競相發展。目前，石墨烯的需求量正逐年增長。

制備石墨烯的兩種代表性碳源分別是石墨和有機分子。以石墨為碳源制備石墨烯具有產率高的優勢，但同時也存在純度低和電導率低的問題。以氣體或固體有機分子為碳源通過化學氣相沉淀法制備石墨烯的方法產率低，而且該過程釋放出的氫氣和游離基會與大氣中的臭氧反應，減少臭氧量，破壞環境。

發明內容

本發明所解決的技術問題在于提供一種以一次性紙質餐具為原料制備石墨烯的方法，從而解決上述背景技術中的問題。

本發明所解決的技術問題采用以下技術方案來實現：

一種以一次性紙質餐具為原料制備石墨烯的方法，包括以下步驟：

（1）把一個質量為5~20g的一次性紙質餐具粉碎成小片后放進一個1000?ml?的玻璃燒杯中，加入1?mol/L的堿溶液?300-600ml，持續攪拌48-72h，以制備紙漿；

（2）將紙漿過濾后得到不溶性固體，接著添加300-600ml去離子水洗滌不溶性固體，然后將該不溶性固體分散到水中，并將水分散液轉移至離心管中，在3000-5000轉/分的速度下離心10-30min，傾除離心管中的液體后，將固體轉移至燒杯中再加入去離子水洗滌，如此經過水洗、離心的循環處理多次，直至pH值呈中性，得到堿金屬離子摻雜的紙漿；

（3）將步驟（2）得到的紙漿分散至100-200ml?的1?mol/L?三價鐵鹽溶液中，在氮氣保護下持續攪拌12-24h，接著將該溶液在60-90℃的烘箱中干燥36h以上，得到鐵鹽負載的紙漿；

（4）將干燥后的鐵鹽負載紙漿放入管式爐中，在氬氣保護下于1000-1400℃炭化處理30-60min，得到炭化樣品；

（5）將炭化樣品用1mol/L?強酸洗滌處理2h后，再用去離子水洗滌至中性，然后在60-80℃?真空干燥，即得到石墨烯。

在本發明中，所述廢棄的一次性紙質餐具可以是紙杯、紙碗或紙盤中的任意一種；所述堿溶液可以是氫氧化鈉、氫氧化鉀的一種或兩種的組合；所述3價鐵鹽溶液可以是氯化鐵、硝酸鐵、硫酸鐵、磷酸鐵的任意一種或幾種的組合；所述強酸可以是鹽酸、硝酸、硫酸中的一種或幾種的組合。

本發明的技術特點在于：本發明首次利用廢棄一次性紙質餐具為碳源制備石墨烯。一次性紙質餐具經堿液處理后，堿金屬離子被吸附到紙漿分子結構中，接著通過3價鐵與堿金屬離子之間的離子交換過程，得到鐵鹽負載的紙漿。在高溫炭化處理過程中，通過鐵離子與紙漿中的碳基反應形成碳化鐵，更多大量的碳原子在此碳化鐵模板上沉積逐漸形成二維碳原子層（即石墨烯）。

由于采用了以上技術方案，本發明具有以下有益效果：

1、本發明采用的方法易于實施，制備的石墨烯成本很低；2、可以有效利用生活產生的廢棄紙質餐具，合理利用資源并減輕廢棄物造成的污染；3、一個重約5g的一次性紙質餐具可以制備2.5g?左右的石墨烯，產率較高；?4、本發明所制備石墨烯的層數不超過十層，可用來制備電極材料及復合材料等。

附圖說明

圖1?為所制備石墨烯的拉曼光譜，激光波長為532nm。

圖2?為所制備石墨烯的X射線衍射圖。

具體實施方式

為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。

實施例1