一种以木质素为原料制备石墨烯的方法
【专利摘要】本发明公开了一种以木质素为原料制备石墨烯的方法，这种方法首先将装有木质素和催化剂的瓷质样品舟放入铰链管式炉中，匀速通入惰性保护气体，同时在炉内以恒定的升温速率将样品从室温加热至目标温度，并在目标温度下保持，待样品温度降至室温时，将样品取出，经去离子水洗涤、真空抽滤、低温烘干后，即得石墨烯。本发明的制备工艺简便，所得石墨烯品质优良，且产率可观。
【专利说明】一种以木质素为原料制备石墨烯的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及碳材料制作工艺【技术领域】，具体为一种以木质素为原料制备石墨烯的方法。
【背景技术】
[0002]木质素是一种天然可再生资源，有许多优异性能，在现代化学工业中有着极高的潜在应用价值。其产量巨大，但应用极低。作为制浆和造纸工业的副产物，绝大部分工业木质素常被直接焚烧，既污染环境又浪费资源，推进和加快木质素高值化应用是当前社会一个亟待解决的问题。木质素中大约有65%的碳，在制备碳材料方面有着巨大潜力。
[0003]石墨烯是近年来成为研究热潮的一种二维先进碳材料，它只有一个碳原子厚度，是目前最薄也是最坚硬的纳米材料，有着卓越的力学、热学和电学性能，在电子、机械、能源、化工等领域均有着极高的应用价值，占据着科学研究的前沿。而方便地制备出低成本的石墨烯是实现石墨烯优异性能的前提，因此，制备技术一直是石墨烯研究领域的重要内容。
[0004]目前文献报道的石墨烯的制备方法主要有三种:微机械剥离法、氧化还原法和化学气相沉淀法。微机械剥离法只能制备微量产品，且偶然性较大，难以大规模生产，只适合于实验室研究。氧化还原法反应周期长，产率低，化学试剂对石墨烯的结构破坏较大，且所用肼类试剂毒性极强，不利于应用。化学气相沉淀法要求条件比较苛刻，需要基底，且不易制备大尺寸石墨烯，限制了其应用进程。
【发明内容】
[0005]本发明所解决的技术问题在于提供一种以木质素为原料制备石墨烯的方法，从生物质资源高值化利用问题出发，通过对木质素进行简单热处理的方法制备石墨烯，有利于综合解决木质素资源利用和石墨烯应用需求的重大问题。
[0006]本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现:
一种以木质素为原料制备石墨烯的方法，包括以下步骤:
1)将装有木质素和催化剂的瓷质样品舟放入铰链管式炉中，匀速通入惰性保护气体，其中，通入惰性保护气体的速率为500ml/mirT2000ml/min，通气时间为5mirT30min ；
2)在铰链管式炉内以5°C/mirT3(TC /min的固定升温速率将样品从室温加热至目标温度，并在此目标温度下保持30mirTl2()min ；
3)待样品温度降至室温附近时，将样品取出，经去离子水洗涤、真空抽滤、低温烘干后，即得石墨稀。
[0007]本发明中，所述木质素可以是碱木质素、木质素磺酸盐、磨木木质素、溶剂型木质素中的任意一种。
[0008]在本发明中，所述催化剂可以是铁粉、镍粉、硝酸铁、硝酸镍、醋酸镍、碱式醋酸铁、氯化铁、硫酸铁、氧化铁、柠檬酸铁的一种或几种的组合。
[0009]在本发明中，所述催化剂和木质素的质量比可以是1:8~1:3。[0010]在本发明中，所述目标温度可以是500°C~1500°C。
[0011 ] 在本发明中，所述惰性保护气体可以是氮气或氩气。
[0012]在本发明中，所述步骤3中的离子水洗涤后，还可进行稀酸洗涤，以提高其洗涤效果，并可调整其PH值。在此过程中采用的稀酸可以是稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸的任意一种。
[0013]有益效果:本发明制备方法和所需设备简单，所用木质素价格低廉，绿色环保。本发明制得的石墨烯由不多于十层的二维六方碳单片层组成，可以用于导电电极、复合材料改性、化学传感等领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明方法制备的石墨烯的拉曼光谱。
[0015]图2为本发明方法制备的石墨烯的扫描电镜照片。
[0016]图3为本发明方法制备的石墨烯的透射电镜照片和选区电子衍射。
【具体实施方式】
[0017]下面举以下多个实施例其各个性质图谱对本发明进行详细描述。
[0018]实施例1:
在室温下，将质量比为1:8的镍粉和碱木质素混合均匀后，转移至瓷质样品舟中。接着将瓷质样品舟放入铰链管式炉中，打开氮气阀以500ml/min的流速通入氮气,30min后，以300C /min的升温速率将样品加 热至1500°C，并在此温度下保持30min ;关闭加热开关，待样品温度降至室温附近时，将样品取出，经去离子水洗涤、稀硝酸洗涤、去离子水洗涤、真空抽滤、低温烘干后，即得石墨烯。
[0019]实施例2:
在室温下，将质量比为1:3的柠檬酸铁和木质素磺酸盐混合均匀后，转移至瓷质样品舟中。接着将瓷质样品舟放入铰链管式炉中，打开氩气阀以2000ml/min的流速通入氩气，5min后，以5°C /min的升温速率将样品加热至500°C，并在此温度下保持120min ;关闭加热开关，待样品温度降至室温附近时，将样品取出，经去离子水洗涤、真空抽滤、低温烘干后，即得石墨稀。
[0020]实施例3:
在室温下，将质量比为1:5的醋酸镍和溶剂型木质素混合均匀后，转移至瓷质样品舟中。接着将瓷质样品舟放入铰链管式炉中，打开氮气阀以lOOOml/min的流速通入氮气，20min后，以20°C /min的升温速率将样品加热至1200°C，并在此温度下保持45min ;关闭加热开关，待样品温度降至室温附近时，将样品取出，经去离子水洗涤、真空抽滤、低温烘干后，即得石墨稀。
[0021]实施例4:
在室温下，将质量比为1:6的铁粉和磨木木质素混合均匀后，转移至瓷质样品舟中。接着将瓷质样品舟放入铰链管式炉中，打开IS气阀以1500ml/min的流速通入IS气，15min后，以10°C /min的升温速率将样品加热至800°C，并在此温度下保持90min ;关闭加热开关，待样品温度降至室温附近时，将样品取出，经去离子水洗涤、稀盐酸洗涤、去离子水洗涤、真空抽滤、低温烘干后，即得石墨烯。[0022]在上述实施例中，由实施例制得的石墨烯的拉曼光谱图如图1所示，而其电镜扫描图片如图2所示，由此可得，其制备的石墨烯不但品质较高，同时，由于由二维六方碳单片层组成，亦具备较佳的理化性能。而其在透射电镜下的透射电镜照片和选区电子衍射如图3所示，也能有效推测出其与传统方式制备的石墨烯基本无差别。
[0023]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的 本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种以木质素为原料制备石墨烯的方法，其特征在于，包括以下制备步骤: ①将催化剂和木质素按1:8~1:3的比例装入瓷质样品舟中，并将此瓷质样品舟放入铰链管式炉中，匀速通入惰性保护气体，其通入惰性保护气体的速率为500ml/mirT2000ml/min,通气时间为5min~30min,且在此步骤中，采用的所述木质素为碱木质素、木质素磺酸盐、磨木木质素、溶剂型木质素中的任意一种； ②在铰链管式炉内以5°C/mirT3(TC /min的固定升温速率将样品从室温加热至5000C~1500°C，并在此温度下保持30mirTl20min ； ③待样品温度降至室温附近时，将样品取出，经去离子水洗涤、真空抽滤、低温烘干后，即得石墨稀。
2.根据权利要求1所述的一种以木质素为原料制备石墨烯的方法，其特征在于，所述催化剂为铁粉、镍粉、硝酸铁、硝酸镍、醋酸镍、碱式醋酸铁、氯化铁、硫酸铁、氧化铁、柠檬酸铁中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述的一种以木质素为原料制备石墨烯的方法，其特征在于，所述惰性保护气体为氮气或氩气。
4.根据权利要求1所述的一种以木质素为原料制备石墨烯的方法，其特征在于，所述步骤3中的离子水洗涤后、真空抽滤前，增加稀酸洗涤步骤，采用的稀酸为稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸中的任意一种。
【文档编号】C01B31/04GK103466613SQ201310472057
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年10月11日 优先权日:2013年10月11日
【发明者】张新荔, 吴义强, 蔡智勇, 张继雷 申请人:中南林业科技大学