[發明專利]一種石墨烯微晶體及其制備方法

有效

• 申請號: 201810223709.6
• 申請日: 2018-03-19
• 公開（公告）號: CN108298525B
• 公開（公告）日: 2020-02-07
• 發明（設計）人: 杜奇石;唐培朵;戴俊;杜芳黎;黎演明;龍思宇;黃日波
• 申請（專利權）人: 廣西科學院
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184
• 代理公司: 11340 北京天奇智新知識產權代理有限公司
• 代理人: 譚連香

本發明提供了一種石墨烯微晶體及其制備方法，所述石墨烯微晶體是一種新型玻璃碳，其為化學鍵鍵合的石墨烯微晶的三維網絡結構，所述石墨烯微晶是由sp2態碳原子構成的石墨烯片段，所述三維網絡結構是sp3態碳原子鍵合石墨烯片段構成的長程無序、短程有序的三維微晶結構體。所述石墨烯微晶體的制備原料是由生物質中分離出的木質素，包括從造紙和纖維素乙醇產生的黑液中、莊稼秸稈、甘蔗渣和木材中提取的木質素。木質素可以單獨作為原料，也可以與某些高分子物質混合使用，如酚醛樹脂、糠醛樹脂和環氧樹脂等。所述制備方法以綠色可再生資源木質素制備石墨烯微晶體，不僅降低了石墨烯微晶體的生產成本低，而且有利于生態和環境保護。

技術領域

本發明屬于材料科學和技術領域的碳素材料分支，尤其涉及一種石墨烯微晶體及其制備方法。

背景技術

碳素材料是材料領域的一個重要分支，從上世紀末到本世紀，科學理論界和技術領域里不斷涌現出碳的新型同素異形體和新的碳素材料。20世紀80年代以前，人們知道的碳的同素異形體只有石墨、金剛石和無定形碳3種，20世紀80年代后接連發現了碳的同素異形體富勒烯(碳60，C₆₀)、碳納米管和石墨烯。特別是2004年發現的石墨烯(Graphene)是一種碳元素的原子尺度上的二維平面晶體，打破了傳統物理學的概念，形成了科學上的新理論和新技術，也為材料科學領域帶來一種神奇的新材料。玻璃碳是在1950年代和1960年代由英國和日本科學家發現的一種碳的同素異形體，有像陶瓷和玻璃一樣的微晶結構，集玻璃、陶瓷和石墨的性質為一體，表現出像玻璃和陶瓷一樣的高強度、高彈性，耐熱和耐化學腐蝕，其斷碴有鋒利的邊沿和渾圓的斷面，硬度遠高于石墨，卻具有高于石墨的導電性。

隨著碳素科學和技術的不斷進展，人們對玻璃碳的結構和性質的認識在一步一步加深。上世紀60、70年代科學家認識到玻璃碳是一種與玻璃和陶瓷類似的碳的微晶體結構，它既不同于無定型碳，如炭黑和活性炭；也不同于晶體碳，如石墨和金剛石。無論在多高溫度和壓力下，玻璃碳都不會石墨化和金剛石化。上世紀80年代后富勒烯和碳納米管先后被發現，科學家對玻璃碳的結構作了新的解釋，認為玻璃碳是富勒烯和/或碳納米管的微晶體，還有的科學家認為玻璃碳是大型的富勒烯結構體。目前科學界普遍認為玻璃碳是以sp3態碳原子鍵合的sp2態碳原子的微晶結構體，包括富勒烯微晶和碳納米管微晶，由此組成的短程有序、長程無序的碳的三維微晶網絡體系。這種奇特的結構給玻璃碳帶來了許多神奇的性質：低密度、高強度、高彈性、高導電和導熱性，在超高溫度(2400℃以上)表現出反常的高強度，對非氧氣體和液體有高抗滲透性和化學穩定性。這些優越的性質使得玻璃碳在許多極端條件和苛刻環境中得到廣泛的應用，特別是在軍事和航天領域。玻璃碳的傳統制備原料是酚醛樹脂、糠醛樹脂和環氧樹脂，稱為玻璃碳的前驅體。把這些前驅體在常壓或高壓下，在惰性氣體環境中，按一定的溫控程序緩慢升溫到800℃至2400℃的高溫，經高溫裂解和碳原子重組，生成玻璃碳。為了得到高質量的大塊玻璃碳，商業生產的加熱時間長達120小時，甚至400小時，壓力最高達到40GPa。

有些研究學者認為2004年發現的石墨烯與富勒烯、碳納米管一樣，都是sp2態碳原子組成的晶體結構，石墨烯碎片也有可能構成碳玻璃的微晶體，稱為石墨烯微晶體，是玻璃碳的一種新類型。玻璃碳的傳統制備原料都是以石油、煤和天然氣等化石原料制備的。本發明以綠色、可再生、廉價的木質素為原料制備石墨烯微晶體。木質素是從生物質廢棄物中分離純化而來，不僅變廢為寶，降低了生產成本，還減少了煤炭和石油的消耗，保護了生態和環境。木質素是由三種酚類單體組成的無規則高分子結構。木質素的元素組成大約為碳63.4％，氧30％，氫5.9％，灰分0.7％，是含碳比例最高的天然有機高分子物質，其中既有大量的組成苯環結構的sp2態碳原子，又有一定量的sp3態碳原子。高溫裂解時，木質素的sp2態碳原子結合成石墨烯的片段，sp3態碳原子把這些石墨烯片段鍵合起來，形成石墨烯微晶體的結構。因此木質素是制備石墨烯微晶體的最佳原料。

發明內容