[发明专利]一种生物质石墨烯储氢材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种生物质石墨烯储氢材料的制备方法。以农林废弃物为原材料，依次通过粉碎、碳化、剥离、去官能团工艺，可制得储氢性能优良的少层生物质石墨烯储氢材料。芦苇秸秆、水葫芦、甘蔗渣、木屑、玉米芯、水稻秸秆、小麦秸秆等众多农林废弃物均可作为原材料。与现有技术相比，本发明的石墨烯制备方法以农林废弃物为原料，通过去除表面官能团提升石墨烯的吸氢性能，并利用少层结构增加石墨烯层间的储氢量，从而制得储氢性能优良的石墨烯储氢材料。本发明采用的石墨烯的制备方法具有工艺简单易操作、设备要求低、生产成本低等优点，能实现大规模批量生产，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于储氢材料制备技术领域，涉及一种利用农林废弃物制备石墨烯储氢材料的方法。

背景技术

(1)氢能是氢经济时代的主要能源形式。安全可靠的储氢技术是氢能大规模实用化的关键技术。常见的固体储氢材料有金属储氢材料、中空玻璃微球储氢材料、有机金属框架化合物储氢材料、沸石、碳基储氢材料等。其中，碳基储氢材料利用对氢气的强吸附实现储氢功能，具有质量轻、制备工艺较简单、成本低、氢气脱附较易、可重复使用性能等优点。研究较多的碳基储氢材料包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等。

(2)石墨烯是一种碳原子以sp²杂化成的六元环排列构成的二维碳基材料。石墨烯片层可通过π-π堆叠形成石墨，层间距约为0.335nm。石墨烯是富勒烯、一维碳纳米管、石墨等的基本组成单元。由于单层石墨烯的每个原子都从平面或两侧暴露出来，因此，石墨烯具有极高的比表面积。石墨烯的比表面积理论值高达2630m²/g，而石墨粉和碳纳米管的比表面积仅为10m²/g和1315m²/g。因此，石墨烯作为理想的吸附材料在储氢方面具有广阔的应用前景。

(3)目前研究较多的石墨烯制备方法包括化学气相沉积法、物理剥离法、氧化还原法等。化学气相沉积法生产的石墨烯品质高，但是生产条件苛刻、生产成本高；物理剥离法生产的石墨烯缺陷少、纯度高，但是生产耗时、收率低、规模化生产难度大；氧化还原法可以较大规模生产石墨烯，但是生产的石墨烯缺陷多、品质欠佳、生产过程影响因素多。

(4)常见的农林废弃物，如木屑、玉米芯、甘蔗渣、水稻秸秆、小麦秸秆、水葫芦、芦苇秸秆等，具有疏松多孔的微观结构，其化学组成主要是纤维素、半纤维素和木质素。通过碳化工艺，碳原子实现重排，再利用剥离技术，可以制得少层石墨烯材料。本发明提供了一种以农林废弃物为原材料，采用“粉碎→碳化→剥离→去官能团”工艺流程，在较温和条件下制备石墨烯的方法，制备方法简单易操作、生产成本低廉、制得具有优良储氢性能的少层石墨烯。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以农林废弃物为原材料制备石墨烯储氢材料的方法。利用原材料疏松多孔的结构，制备出少层石墨烯，有利于氢气在石墨烯层间的吸附与储存；通过去官能团工艺，将制备过程中引入石墨烯表面的官能团去除掉，以提高石墨烯的纯度，并显著提升吸氢性能。该制备方法操作简单、工艺条件温和、不受原材料种类的影响，能制得储氢性能优良的石墨烯储氢材料。

本发明所述的生物质石墨烯储氢材料的制备方法包括以下步骤：

(1)将农林废弃物原材料机械粉碎成颗粒状，粒径尺寸控制在20目至80目范围；

(2)将粉碎后的原材料颗粒放入管式炉中碳化，管式炉升温速率控制在5～30℃/min，升温至300～750℃，保温1～8h后，得到碳化产物；

(3)在100mL的水中加入1～60mL的混合酸，搅拌均匀后制得剥离液A；

(4)将1～50g碳化产物加入剥离液A中浸泡0.5h，再在室温下超声2～20h后，过滤出固体物质，用清水冲洗过滤物；

(5)将清洗后的过滤物浸泡至100mL的水中，在5～60℃下超声1～20h后过滤，将过滤出的固体物质放入烘箱中，在60～100℃下干燥0.5～4h，制得石墨烯储氢材料。