[發(fā)明專利]一種制備石墨烯的方法

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• 申請日: 2018-11-30
• 公開（公告）號: CN109292760A
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發(fā)明（設計）人: 陳鳳貴
• 申請（專利權）人: 長江師范學院
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司 50212
• 代理人: 張先蕓

本發(fā)明公開了一種制備石墨烯的方法，利用可再生生物質材料為原材料，通過冷凍干燥和高溫碳化處理即可制備得到石墨烯，并開拓了冷凍干燥新方法。本發(fā)明制備的石墨烯呈片狀，可通過調節(jié)生物質溶液的濃度來調控石墨烯的形貌結構，可通過高溫碳化溫度調節(jié)石墨烯化學成分。所有原料及試劑來源廣泛易獲得、成本低廉、可降解，對人體和環(huán)境無害；制備過程不需要催化劑，工藝簡單方便，易于實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產，為簡便制備石墨烯提供了新的理論指導和技術支持，同時提高生物質材料的高附加值應用，具有良好的經濟效益。

技術領域

本發(fā)明涉及碳材料制備技術領域，特別的涉及一種制備石墨烯的方法。

背景技術

石墨烯是一種由六角峰巢晶格堆積起來的二維單原子層碳材料，這種幾乎完全透明、質輕、柔韌的材料不僅是目前已知最薄、最堅硬的納米材料，而且具有許多優(yōu)異的性能，比如石墨烯的導熱系數(shù)約為5300W/m·K，高于天然石墨、碳納米管和金剛石等材料；石墨烯常溫下的電子遷移率大于15000cm²/V·s，高于納米碳管和硅晶體；石墨烯的電導率高達10-6 S/m，比銅或銀更低，是目前電導率最高的材料。這是基于石墨烯的這些獨特的物理及化學性能，使其在鋰離子電池、超級電容器、太陽能電池、發(fā)光二極管、傳感器、儲氫、催化劑載體、復合材料、涂料、生物支架材料、藥物控制釋放等領域有廣泛的應用前景，越來越受到人們的重視。

目前，可采用許多種方法均可用于制備石墨烯，如微機械剝離法、溶劑剝離法、氧化-還原法、晶體外延生長法、化學氣相沉積法、微波法和電化學法等。在這些方法中，微機械剝離法和晶體外延生長法制備效率比較低，目前難以滿足大規(guī)模生產的需要；化學氣相沉積法雖然可以獲得大尺寸連續(xù)的石墨烯薄膜，但適用于電子器件和透明的導電薄膜，卻不能滿足儲能材料及功能復合材料領域的大規(guī)模需求；氧化-還原法制備石墨烯粉體的成本低廉且容易實現(xiàn)，但是所制備的石墨烯通常含有較多的缺陷，且在制備過程中會產生大量的廢水或廢氣，對環(huán)境造成嚴重污染；微波法和電化學法具有反應周期短、高效率、綠色無污染和所制備的石墨烯形貌較完整、缺陷少等優(yōu)點，然而由此制備的石墨烯產量少，尚不能實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產。

木質素、堿木質素、纖維素、海藻酸鈉、單寧酸等生物質碳源材料是一種儲量豐富、可再生的重要資源，可再生生物質材料是世界上儲碳量最為豐富的資源，由于其來源廣泛易獲得、成本低廉、含碳豐富等特點可作為一種優(yōu)良的多孔碳材料前驅體；目前，利用可再生生物質材料作為前驅體制備碳材料，從而生產對人體和環(huán)境無害，可降解、價廉的生物質碳氣凝膠是倍受關注的研究方向。但很少有文獻報道應用生物質材料制備生物質基石墨烯。

發(fā)明內容

針對上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供了一種新型高效制備石墨烯的方法，解決現(xiàn)有石墨烯制備成本高，工藝復雜條件苛刻不容易控制，環(huán)境污染大，能耗高，而且不能實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產，所制備石墨烯不易存儲等問題，同時拓展了冷凍干燥方法，實現(xiàn)在常壓條件下的冷凍干燥，并促進可再生生物質材料的高附加值應用。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用了如下的技術方案：一種制備石墨烯的方法，包括以下步驟：

1）將生物質碳源材料溶于溶劑中，充分混合，得到濃度為5~50mg/mL的混合溶液，將所述混合溶液冷凍干燥，得到納米厚度的片狀結構多孔氣凝膠；

2）將步驟1）得到的片狀結構多孔氣凝膠在真空或惰性氣氛下高溫碳化處理，即可得到石墨烯。

這樣，直接使用冷凍干燥技術，可以實現(xiàn)木質素等生物質分子的單層或多層的片狀分布，并可通過控制濃度調控前驅體結構及分布，制備得到的石墨烯前驅體具有納米功能的生物質氣凝膠，可以極大的增加其比表面積和孔結構，其物理形貌結構與石墨烯或氧化石墨烯極其相似；進一步，通過高溫熱處理的方式實現(xiàn)有機碳源材料的碳化與石墨化，完成化學結構的轉化，由有機轉化為石墨的碳成分，而最終實現(xiàn)石墨烯的制備，并且通過調節(jié)碳化溫度可以控制石墨化程度。