[發明專利]多級孔石墨烯的制備方法、多級孔石墨烯的應用

有效

• 申請號: 202110393977.4
• 申請日: 2021-04-13
• 公開（公告）號: CN113247887B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 席躍賓;楊牧原;劉雪;楊東杰;孔凡功;王守娟;劉淇;崔航;張振濤;姚路
• 申請（專利權）人: 齊魯工業大學
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19;H01G11/24;H01G11/36;H01G11/44;H01G11/50
• 代理公司: 濟南信達專利事務所有限公司 37100
• 代理人: 羅文曌

本發明涉及一種多級孔石墨烯的制備方法、多級孔石墨烯的應用，屬于石墨烯材料技術領域。所述制備方法首先通過碳酸鹽或堿式碳酸鹽活化得到高石墨化高比表面積的多孔碳，然后采取一種類似爆“爆米花”的綠色微波爆破法制備多級孔石墨烯材料。所得多級孔石墨烯應用于鋰離子電容器中表現出優異的電化學性能。和現有技術相比，本發明以工業木質素為原料，簡單高效地獲取石墨烯多級孔材料，有利于節能降耗，并且獲得的具有較大比表面積及良好多孔性的石墨烯材料，將助力其應用于鋰離子電池和超級電容器電極材料等能源存儲領域。

技術領域

本發明公開了一種多級孔石墨烯的制備方法、多級孔石墨烯的應用，屬于石墨烯材料技術領域。

背景技術

石墨烯(Graphene)是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層碳原子厚度的二維晶體，是目前發現的厚度最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，被稱為新材料之王。理想的石墨烯可以看作是一層被剝離的石墨分子，結構是平面六邊形點陣，每個碳原子均為sp²雜化，并貢獻剩余一個p軌道上的電子形成大π鍵，電子可以自由移動，賦予石墨烯良好的導電性。石墨烯的制備對于現代科學與技術，特別是對于新能源領域的發展具有重要意義。

石墨烯的制備方法主要有：機械球磨法、氧化還原法和化學氣相沉積法。氧化還原法中經典的hummer法是目前比較常用的方法，先將石墨通過強酸/強氧化劑氧化得到氧化石墨烯，再經過還原得到氧化還原石墨烯。盡管這種方法操作簡便、產量大，但石墨烯的質量較差，生產過程危險性較大且易產生二次污染。

木質素廣泛存在于自然界植物體中，是植物體的重要組成部分，且儲量豐富，產量僅次于纖維素。工業木質素主要來自于制漿造紙廢水和生物煉制殘渣，我國每年工業木質素的產量高達5000萬噸。國內外，工業木質素的高質資源化利用已經研究多年，目前僅3％左右可以作為填料有效應用于農藥、混凝土、染料等行業。眾所周知，木質素分子的含碳量高達50％～60％，是制備碳材料的理想前驅體。此外，木質素是自然界植物體內唯一具有芳香環的高分子聚合物，更是制備高石墨化碳和石墨烯的優質碳源。

現有技術中，將工業木質素轉化為石墨烯的研究屢見不鮮，常用的方法主要是催化法(CN108751171A、CN107235484A、CN111072014A、CN105439135A、CN111646461A、CN106241780A)、高溫碳化活化法(CN109292760B、CN110627050A、CN106495132A、CN109319764A)、水熱法(CN108977198A)、復合法(CN106587019A、CN106044744B、CN105236391A)等。上述方法具有一定的普適性，對于生物質轉化石墨烯均較為適用，但是能耗較大、操作復雜。

發明內容

本發明是針對上述現有技術的不足，提供一種多級孔石墨烯的制備方法。以該方法制備的石墨烯具有以均勻介孔為主，兼具大孔和微孔的多級孔道結構。

在本發明中，所述的多孔石墨烯的多孔結構應該理解為介孔率不低于50％，比表面積不低于1000m²·g^-1，多級孔道應該理解是含有大孔、微孔和介孔。

在本發明中，所述木質素為工業木質素，包括麥草堿木質素、竹漿堿木質素、蘆葦堿木質素、木漿堿木質素、棉漿堿木質素、硫酸鹽木質素、木質素磺酸鈉、酶水解木質素和蔗渣堿木質素中的至少一種。

申請人針對木質素結構及碳化研究發現，木質素碳化后可最大限度的保留其芳香性結構，這種結構和石墨層的碳六環相似，可以通過簡單的剝離方法將其轉化為石墨烯。