[发明专利]一种以蔗髓为原料的多重花瓣形态的石墨烯粉体的制备方法

说明书

本发明提供了一种以蔗髓为原料的多重花瓣形态的石墨烯粉体的制备方法，属于石墨烯产品和制备技术领域。本发明的石墨烯粉体的前驱体蔗髓是蔗渣的一种成分，卷曲的多重层片状粉末，蔗髓中的纤维素单分子链凭借侧链的羟基形成分子链间的氢键，组成平面二维晶体，构成蔗髓的多重花瓣片层结构。蔗髓的纤维素平面二维晶体结构在惰性气体环境中，经脱水、碳化和石墨化后，形成碳的平面二维晶体结构，即石墨烯，构成多重花瓣形态的石墨烯粉体；制备出的石墨烯粉体有完整的二维晶体结构，碳原子占比高，杂原子含量少。蔗髓在蔗渣中约占30％以上，原料来源广，成本极低，制备过程中不造成二次污染，有利于生态环境保护，有重要的社会、经济和生态效益。

技术领域

本发明涉及石墨烯制备技术领域，尤其涉及一种以蔗髓为原料的多重花瓣形态的石墨烯粉体的制备方法。

背景技术

碳素材料是材料领域的一个重要分支。从上世纪末到本世纪，科学理论界不断涌现出碳的新型同素异形体和新的碳素材料。20世纪80年代以前，人们知道的碳的同素异形体只有石墨、金刚石和无定形碳三种。20世纪80年代后接连发现了碳的同素异形体富勒烯(碳60，C60)、碳纳米管和石墨烯。特别是2004年发现的石墨烯(Graphene)是一种碳元素的原子尺度上的二维平面晶体，打破了传统物理学的概念，形成了科学上的新理论和新技术，也为材料科学领域带来了一种神奇的新材料。

制备石墨烯的方法主要是化学气相沉积法(CVD)和天然石墨矿剥离法。CVD法的技术难度大，成本高，产量小，只适合于制备少量石墨烯单晶。目前采用天然石墨矿剥离法制备氧化石墨烯(GO)粉体主要是用浓硫酸、浓硝酸等强氧化剂处理鳞片石墨矿，从中剥离出少数几层的石墨烯碎片。上述天然石墨矿剥离法不仅消耗天然化石矿物，还会造成环境污染，后续的环境处理的代价很高。而且，得到的氧化石墨烯带有较多的含氧官能团，一定程度上偏离了石墨烯的化学结构和物理性质，在结构上不稳定，倾向于自发聚合叠加，恢复成石墨的结构，从而失去石墨烯的优良性质。

生物质主要包括庄稼秸秆和林业下脚料等绿色可再生资源，与碳材料有深刻的渊源，自古以来就是制备各种碳素材料的原料。近年来有不少用生物质制备石墨烯的研究，已有用玉米芯等原料制备石墨烯的专利。但生物质是含有多种成分的复杂物质，包括纤维素、半纤维素和木质素三种主要成分，各种成分又有不同的晶体结构形态，并不是每种成分和每个晶体形态都适合于制备石墨烯。生物质有植物的细胞组织结构，未经分离和炼制处理的生物质在碳化后往往仍保持着植物的组织结构形态，只能制备出木炭、草炭和活性炭等初级产品，虽然可能含有少量石墨烯的片段，但不能称为石墨烯。

因此，选择合适的生物质组分和适当的晶体形态，有目标地制备出形貌优异的石墨烯是目前生物质石墨烯制备科学研究的热点议题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种以生物质的具有特定晶体形态的特定组分为前驱体，制备多重花瓣形态的石墨烯粉体的方法。

我们的研究发现，甘蔗中的蔗髓和蔗纤同为纤维素，都是由葡萄糖单元通过1-4糖苷键组成的分子链聚合成的高分子物质，但二者的晶体结构不同，形态也不同。蔗纤中的多条纤维素单分子链凭借相互间的氢键结合为多股束状的晶体，呈现出结构紧密的螺旋状多股束状纤维。蔗髓是纤维素分子链的平面晶体，其中的纤维素单分子链凭借侧链的羟基间的氢键组成平面晶体，图1是蔗髓中的纤维素平面晶体的化学结构图。图2是蔗纤和蔗髓的扫描电镜(SEM)照片，其中蔗纤和蔗髓的形态有明显的差异。图3是初步分离出的蔗髓的照片，是微米级的片状粉末，片层厚度在纳米级别或接近纳米级。

蔗纤和蔗髓都是纤维素，同属碳水化合物，分子式为(C₆H₁₀O₅)_n，在高温下都可以脱水、碳化和石墨化。

(C₆H₁₀O₅)_n→nC₆+n5H₂O