一种以一次性纸质餐具为原料制备石墨烯的方法
【专利摘要】本发明公开了一种以一次性纸质餐具为原料制备石墨烯的方法。主要工艺过程是先将一次性纸质餐具制成碱金属离子掺杂的纸浆，接着通过离子交换过程制得铁盐负载的纸浆，通过对铁盐负载纸浆的高温热处理，以及炭化产物提纯，得到石墨烯。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】一种以一次性纸质餐具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】，具体为一种以一次性纸质餐具为原料制备石墨烯的方法。
【背景技术】
[0002]一次性纸质餐具(如纸杯、纸碗、纸盘等)是一类方便携带和使用，价格低廉的纸质容器，用完即被扔掉，是许多家庭、快餐店、饮料铺以及其他公共场所常见的喝水和餐饮工具。一次性纸质餐具给人们的生活带来便利的同时也造成了大量的白色污染。据统计，国内每年至少有100亿份一次性纸质餐具被随意丢弃。一次性纸质餐具的内层通常含有聚乙烯淋膜，淋膜与纸分离困难导致二者均无法回收，因而绝大多数一次性纸质餐具被当作垃圾直接焚烧。合理处理一次性纸质餐具，使废弃资源得以再利用对于当前创建资源节约型社会和减少环境污染具有重大意义。
[0003]石墨烯是碳原子紧密堆积成单层蜂窝状晶格结构的二维碳材料，是构建零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨的基本单元，也是目前最理想的先进纳米材料。石墨烯是目前强度最高，导电和导热性最好的材料，在电池、传感、超级电容、能量储存、纳米复合等【技术领域】拥有广泛的应用前景，世界各国无一不把它作为关键材料来竞相发展。目前，石墨烯的需求量正逐年增长。
[0004]制备石墨烯的两种代表性碳源分别是石墨和有机分子。以石墨为碳源制备石墨烯具有产率高的优势，但同时也存在纯度低和电导率低的问题。以气体或固体有机分子为碳源通过化学气相沉淀法制备石墨烯的方法产率低，而且该过程释放出的氢气和游离基会与大气中的臭氧反应，减少臭氧量，破坏环境。
【发明内容】
[0005]本发明所解决的技术问题在`于提供一种以一次性纸质餐具为原料制备石墨烯的方法，从而解决上述【背景技术】中的问题。
[0006]本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现:
一种以一次性纸质餐具为原料制备石墨烯的方法，包括以下步骤:
(1)把一个质量为5~20g的一次性纸质餐具粉碎成小片后放进一个1000ml的玻璃烧杯中，加入I mol/L的碱溶液300-600ml，持续搅拌48-72h，以制备纸浆；
(2)将纸浆过滤后得到不溶性固体，接着添加300-600ml去离子水洗涤不溶性固体，然后将该不溶性固体分散到水中，并将水分散液转移至离心管中，在3000-5000转/分的速度下离心10-30min，倾除离心管中的液体后，将固体转移至烧杯中再加入去离子水洗涤，如此经过水洗、离心的循环处理多次，直至PH值呈中性，得到碱金属离子掺杂的纸浆；
(3)将步骤(2)得到的纸浆分散至100-200ml的Imol/L三价铁盐溶液中，在氮气保护下持续搅拌12-24h，接着将该溶液在60-90°C的烘箱中干燥36h以上，得到铁盐负载的纸浆；(4)将干燥后的铁盐负载纸浆放入管式炉中，在氩气保护下于1000-1400°C炭化处理30-60min,得到炭化样品；
(5)将炭化样品用lmol/L强酸洗涤处理2h后，再用去离子水洗涤至中性，然后在60-800C真空干燥，即得到石墨烯。
[0007]在本发明中，所述废弃的一次性纸质餐具可以是纸杯、纸碗或纸盘中的任意一种；所述碱溶液可以是氢氧化钠、氢氧化钾的一种或两种的组合；所述3价铁盐溶液可以是氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、磷酸铁的任意一种或几种的组合；所述强酸可以是盐酸、硝酸、硫酸中的一种或几种的组合。
[0008]本发明的技术特点在于:本发明首次利用废弃一次性纸质餐具为碳源制备石墨烯。一次性纸质餐具经碱液处理后，碱金属离子被吸附到纸浆分子结构中，接着通过3价铁与碱金属离子之间的离子交换过程，得到铁盐负载的纸浆。在高温炭化处理过程中，通过铁离子与纸浆中的碳基反应形成碳化铁，更多大量的碳原子在此碳化铁模板上沉积逐渐形成二维碳原子层(即石墨烯)。
[0009]由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益效果:
1、本发明采用的方法易于实施，制备的石墨烯成本很低；2、可以有效利用生活产生的废弃纸质餐具，合理利用资源并减轻废弃物造成的污染；3、一个重约5g的一次性纸质餐具可以制备2.5g左右的石墨稀，广率较闻；4、本发明所制备石墨稀的层数不超过十层,可用来制备电极 材料及复合材料等。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为所制备石墨烯的拉曼光谱，激光波长为532nm。
[0011]图2为所制备石墨烯的X射线衍射图。
【具体实施方式】
[0012]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
[0013]实施例1
1)把一个质量为5g的一次性纸杯粉碎成小片后放进一个1000ml的玻璃烧杯中，加入I mol/L的氢氧化钠溶液300 ml，持续搅拌48 h，以制备纸浆；
2)将纸浆过滤后得到不溶性固体，接着添加300ml去离子水洗涤不溶性固体，然后将该不溶性固体的水分散液转移至离心管中，在3000转/分的速度下离心30 min，倾除离心管中的液体后，将固体转移至烧杯中再加入去离子水洗涤，如此经过水洗/离心的循环处理多次，直至PH值呈中性，得到钠离子掺杂的纸浆。
[0014]3)将步骤2)得到的纸浆分散至100 ml的I mol/L硝酸铁溶液中，在氮气保护下持续搅拌12h，接着将该溶液在60°C的烘箱中干燥48 h，得到铁盐负载的纸浆。
[0015]4)将干燥后的铁盐负载纸浆放入管式炉中，在氩气保护下于1400 1:炭化处理30min,得到炭化样品。
[0016]5)将炭化样品用lmol/L硝酸洗涤处理2h后，再用去离子水洗涤至中性，然后在60°C真空干燥，即得到石墨烯。[0017]实施例2
1)把一个质量为13g的一次性纸碗粉碎成小片后放进一个1000ml的玻璃烧杯中，加入1 mol/L的氢氧化钾溶液450ml，持续搅拌60h，以制备纸浆；
2)将纸浆过滤后得到不溶性固体，接着添加450ml去离子水洗涤不溶性固体，然后将该不溶性固体的水分散液转移至离心管中，在4000转/分的速度下离心20min，倾除离心管中的液体后，将固体转移至烧杯中再加入去离子水洗涤，如此经过水洗/离心的循环处理多次，直至PH值呈中性，得到钾离子掺杂的纸浆。
[0018]3)将步骤2)得到的纸浆分散至150ml的I mol/L氯化铁溶液中，在氮气保护下持续搅拌18h，接着将该溶液在75°C的烘箱中干燥42h，得到铁盐负载的纸浆。
[0019]4)将干燥后的铁盐负载纸浆放入管式炉中，在氩气保护下于1200°C炭化处理45min,得到炭化样品。
[0020])将炭化样品用lmol/L盐酸洗涤处理2h后，再用去离子水洗涤至中性，然后在70°C真空干燥，即得到石墨烯。
[0021]实施例3
1)把一个质量为20g的一次性纸盘粉碎成小片后放进一个1000ml的玻璃烧杯中，加入I mol/L的氢氧化钾溶液600ml，持续搅拌72h，以制备纸浆；
2)将纸浆过滤后得到不溶性固体，接着添加600ml去离子水洗涤不溶性固体，然后将该不溶性固体的水分散液转移至离心管中，在5000转/分的速度下离心lOmin，倾除离心管中的液体后，将固体转移至烧杯中再加入去离子水洗涤，如此经过水洗/离心的循环处理多次，直至PH值呈中性，得到钾离子掺杂的纸浆。
[0022]3)将步骤2)得到的纸浆分散至200 ml的I mol/L硫酸铁溶液中，在氮气保护下持续搅拌24 h，接着将该溶液在90°C的烘箱中干燥36h，得到铁盐负载的纸浆。
[0023]4)将干燥后的铁盐负载纸浆放入管式炉中，在氩气保护下于1000°C炭化处理60min,得到炭化样品。
[0024]5)将炭化样品用lmol/L硫酸洗涤处理2h后，再用去离子水洗涤至中性，然后在80°C真空干燥，即得到石墨烯。
[0025]按照实施例的方法制得的石墨烯的拉曼光谱图如图1所示。图中，1350CHT1、1580cm-1和27000^1处分别对应石墨烯的D峰、G峰和2D峰。这三个特征峰的形状和位置说明本发明所制备的石墨烯具有很小的结构缺陷而且根据G峰和2D峰的强度比，可以推断所制备的石墨烯大约有5~10层的层数。图2是按照实施例的方法制备的石墨烯的X射线衍射图。图中，2 θ =26.3°处是石墨烯片的002晶面衍射峰，2 θ =43.2°处是石墨烯的100晶面衍射峰，这两个峰进一步证明本发明制备的样品是石墨烯。由此可得，制备的石墨烯具有品质高和层数少的特点，而且从测试结果也能有效推测出其与传统方式制备的石墨烯基本无差别。
[0026]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】
1.一种以一次性纸质餐具为原料制备石墨烯的方法，其特征在于:包括以下步骤: (1)把一个质量为5~20g的一次性纸质餐具粉碎成小片后放进一个1000ml的玻璃烧杯中，加入I mol/L的碱溶液300-600ml，持续搅拌48-72h，以制备纸浆； (2)将纸浆过滤后得到不溶性固体，接着添加300-600ml去离子水洗涤不溶性固体，然后将该不溶性固体分散到水中，并将水分散液转移至离心管中，在3000-5000转/分的速度下离心10-30min，倾除离心管中的液体后，将固体转移至烧杯中再加入去离子水洗涤，如此经过水洗、离心的循环处理多次，直至PH值呈中性，得到碱金属离子掺杂的纸浆； (3)将步骤(2)得到的纸浆分散至100-200ml的Imol/L三价铁盐溶液中，在氮气保护下持续搅拌12-24h，接着将该溶液在60-90°C的烘箱中干燥36h以上，得到铁盐负载的纸浆； (4)将干燥后的铁盐负载纸浆放入管式炉中，在氩气保护下于1000-1400°C炭化处理30-60min,得到炭化样品； (5)将炭化样品用lmol/L强酸洗涤处理2h后，再用去离子水洗涤至中性，然后在60-800C真空干燥，即得到石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种以一次性纸质餐具为原料制备石墨烯的方法，其特征在于:所述的一次性纸质餐具是纸杯、纸碗或纸盘中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种以一次性纸质餐具为原料制备石墨烯的方法，其特征在于:所述碱溶液是氢氧化钠、氢氧化钾的一种或两种的组合。
4.根据权利要求1所述的一种以一次性纸质餐具为原料制备石墨烯的方法，其特征在于:所述三价铁盐溶液可以是氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、磷酸铁的任意一种或几种的组合。
5.根据权利要求1所述的一种以一次性纸质餐具为原料制备石墨烯的方法，其特征在于:所述强酸是盐酸、硝酸、硫酸中的一种或几种的组合。
【文档编号】C01B31/04GK103818900SQ201410102026
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2014年3月19日
【发明者】张新荔, 吴义强 申请人:中南林业科技大学