[发明专利]一种单层或少层生物质石墨烯的制备方法

说明书

本发明公开了一种单层或少层生物质石墨烯的制备方法。以天然农作物秸秆为原材料，通过先进行剥离工艺，再进行碳化工艺，可制得单层生物质石墨烯；通过先进行碳化工艺，再进行剥离工艺，可制得少层生物质石墨烯。通过调节工艺参数，可以调控所制得的石墨烯的层数、微观尺寸大小以及石墨烯表面的缺陷。与现有技术相比，本发明的石墨烯制备方法以廉价易得的农作物秸秆为原料，制得单层和少层石墨烯。本发明采用的生物质石墨烯的制备方法具有工艺条件温和、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

本发明属于低维材料制备技术领域，涉及一种利用天然农作物秸秆制备单层或少层石墨烯的方法。

背景技术

(1)石墨烯是一种碳原子以sp²杂化成的六元环排列形成的具有蜂窝状晶格的二维碳材料。石墨烯片层可通过π-π堆叠形成石墨，层间距约为0.335nm。因此，石墨烯被视为芳香族大分子在二维平面上的无限延伸，也被视为富勒烯、一维碳纳米管等石墨基材料的基本组成单元。石墨烯具有卓越的电学特性、热传导性、机械性能和光学特性等，使得石墨烯在新型电子器件、传感器、能量转换和储存器件、催化剂、吸附剂、结构增强剂等方面具有广泛应用前景。

(2)目前可以通过“自下而上”和“自上而下”两种途径制备石墨烯。“自下而上”的方法是以碳化硅或有机小分子为碳源，在一定条件下使碳原子进行重排或连接，从而制得石墨烯。化学气相沉积法是研究最多的一种“自下而上”的制备石墨烯的方法。通过化学气相沉积法可以制备出结构完整、层数少的石墨烯。但是，化学气相沉积法需要使用昂贵的金属催化剂并涉及到后续催化剂的去除，反应需在600至1000℃高温且在可燃气体存在下进行，制备过程能耗高、具有安全隐患，需要昂贵的硬件设备。因此，通过化学气相沉积法制备石墨烯成本高，不利于大规模批量化生产。

(3)“自上而下”的方法一般是以高纯石墨为原材料，通过剥离的方式减弱石墨层与层之间的范德华力，从而将块状的石墨剥离成为单层或少层的石墨烯。由于石墨层间的范德华力的存在，想利用“自上而下”方法完全剥离出大面积的单层石墨烯难度非常大。常见的“自上而下”方法包括超声剥离法、电化学法、化学法、球磨法等。其中，超声剥离法和电化学法制备的石墨烯层数较少，制备条件较温和，生产成本比化学气相沉积法低。但是，这类制备方法耗时，制备的石墨烯缺陷较多。

(4)高粱、玉米、油菜、芦苇等天然农作物秸秆内部具有多孔疏松结构的芯。这些秸秆芯为植物生长输送养料和水分。秸秆芯的主要成分是纤维素和半纤维素。由于农作物秸秆芯的特殊微观结构和化学组成，可以通过碳化和剥离工艺，制备石墨烯材料。本发明提供了一种以农作物秸秆芯为原材料，在温和条件下制备石墨烯的方法，通过控制工艺参数可以制得单层石墨烯和少层石墨烯，制备方法简单、设备要求低、生产成本低廉。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以天然农作物秸秆芯为原材料制备单层或少层石墨烯的方法。通过先进行剥离工艺，再进行碳化工艺，制得单层石墨烯；通过先进行碳化工艺，再进行剥离工艺，制得少层石墨烯。该制备方法涉及到的剥离工艺和碳化工艺条件温和，制备周期短，不受原材料种类的影响，通过改变工艺顺序，得到不同层数的生物质石墨烯，以满足不同场合的使用要求。

本发明所述的单层生物质石墨烯的制备方法包括以下步骤：

(1)去除天然农作物秸秆的外壳，将秸秆芯机械粉碎成粉末状，粒径尺寸控制在20目至160目范围；

(2)在100mL的水中加入0.1～20g的强氧化剂，常温下搅拌至完全溶解，再加入1～30mL的强酸，搅拌均匀后制得剥离液A；

(3)将1～30g秸秆芯粉末加入剥离液中浸泡0.5～20h后，过滤出固体物质，用清水冲洗过滤物后，将固体物质放入烘箱中，在40～100℃下干燥0.5～4h；

(4)将干燥后的固体物质放入管式炉中碳化，管式炉升温速率控制在5～25℃/min，升温至200～650℃，保温1～8h后，制得单层生物质石墨烯。