一种利用富镜质体烟煤制备多孔石墨烯的方法

本发明涉及煤炭清洁高效利用中煤基碳材料领域，具体涉及一种利用富镜质体烟煤制备多孔石墨烯的方法。

背景技术：

1、石墨烯是一种sp2杂化碳原子网状连接而成的新颖二维碳材料，一般而言石墨烯是单层结构，但是在实际应用中，少层石墨烯（1-10层）也能表现出优异的性能，因此，在本领域10层甚至更多层的结构都统称为石墨烯材料。由于石墨烯具有超高的比表面积、电荷迁移率、导电性、导热性、化学稳定性以及力学性能等特点，因而在焦耳热、电化学传感、超级电容器和高性能电催化等方面具有重要的潜在应用价值，传统制备石墨烯多采用微机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积cvd法、氧化石墨烯还原法。然而，采用上述方法存在的诸多问题，包括制备步骤繁杂，需要高能量输入，产生的化学废物环境污染大以及产率较低等问题，此外，也无法获得具有三维结构的多孔石墨烯材料。为解决上述问题，采用激光诱导技术可一步完成具有三维多孔石墨烯的制备，制备方法具有操作简单、加工效率高、经济环保等优势，近年来得到越来越多的人的广泛关注。激光诱导多孔石墨烯方法主要是通过激光辐照碳前驱体原材料，从而局部产生高温使材料的化学键迅速断裂，同时伴随着新的碳碳键重组形成sp2杂化碳原子网状石墨烯；此外，原材料中的少量sp3碳原子以及其他元素原子则以气态物质迅速被释放掉，气体产生的同时也促进石墨烯多孔结构的形成，使其拥有更大的比表面积。

2、目前，可作为激光诱导多孔石墨烯的碳前驱体材料非常有限，多使用聚酰亚胺pi、聚乙烯pe等商业用聚合物，以及富含纤维素或者木质素的木材等富碳原材料。前者的价格比较昂贵而且容易对环境造成污染；而后者在激光照射前经常需要进行阻燃或碳化处理，以防止原料经过高温、氧化迅速分解而损耗掉，降低高温下的碳损失。因此，探索新的石墨烯前驱体仍然是重要的课题。煤炭是地球上最廉价、储量最丰富的固体碳材料，含碳量普遍高于50%，这为碳材料的制备提供了丰富的碳源。因此，基于激光诱导技术将煤炭作为碳源升级为这些高价值的石墨烯碳材料，是一个具有重要应用价值的方法，这不仅具有经济吸引力，同时对全球环境有重大利好。

技术实现思路

1、本发明克服现有技术的不足，提供一种利用富镜质体烟煤制备多孔石墨烯的方法。本发明以一种的高挥发分低变质程度烟煤为原材料，利用激光诱导石墨烯技术可实现包括石墨烯、石墨烯介孔材料等多种石墨烯材料的制备。本发明方法具备操作简单、经济环保，产量相对较多，得到的多孔石墨烯的比表面积较大，石墨化效果好，适用于煤基多孔石墨烯相关材料的快速生产，为煤的利用寻找了一条新的出路。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种利用富镜质体烟煤制备多孔石墨烯的方法，以烟煤为原料，依次经过破碎、研磨、酸洗、水洗、干燥处理得到低灰分细粒的粉末状样品，然后将粉末样品装填到中空圆形孔径的石墨坩埚中，并经压片工具处理制备成样品薄片，通过激光在离焦和真空环境下辐照整个薄片样品诱导得到煤基多孔石墨烯材料。

3、进一步的，所述烟煤为一种宏观煤岩类型为亮煤的高挥发分低变质程度的烟煤。

4、进一步的，经破碎和研磨后的烟煤的粒径为200目以下。

5、优选的，酸洗方式为依次经过稀盐酸、氢氟酸、高氯酸三级酸洗处理，三种酸的浓度分别为15%、40%、72%；每种酸处理均在60 ℃恒温水浴中保温8小时；酸洗后样品用超纯水水洗直到滤液用ph试纸检测呈中性，干燥温度为60摄氏度，时间为24小时。

6、优选的，所述使用的装填样品的容器为订制的具有中空的圆形孔径的石墨坩埚，外径为25 mm，内径为7 mm，孔深为5 mm。

7、优选的，石墨坩埚中每次的装填量仅为50 mg，并被压制成1 mm的薄片。

8、进一步的，激光诱导使用的激光辐照系统由激光器、冷却水循环、真空泵、密闭反应室、激光电源器、样品三维工作台组成，其中激光类型为商业1064 nm波长的红外co2连续激光，激光额定功率为180 w。

9、优选的，激光诱导时，离焦位置处的光斑直径为8 mm，激光功率密度3.58 w/mm2，激光辐照时间120 s。

10、另外，本发明还提供上述利用富镜质体烟煤制备多孔石墨烯的方法制备的多孔石墨烯材料。

11、本发明还提供上述的一种利用富镜质体烟煤制备多孔石墨烯的方法制备的多孔石墨烯材料在组装三电极体系电化学储能器件中的应用。

12、与现有技术相比本发明具有以下有益效果：

13、本发明是将低灰分的烟煤粉末装填到坩埚中，根据需求可以选择不同孔径类型的坩埚，通过激光辐照诱导烟煤不仅可以得到产量较大的多孔石墨烯材料，且石墨化效果的较好，整个过程操作简单，一次成型，无需对样品进行初步的加热预处理（交联过程），经济环保。实验结果表明得到的多孔石墨烯材料孔径较小，比表面积较大，石墨化程度较好，得到的激光辐照诱导煤基产物在传感器和电容器方面具有重要潜在应用价值，本发明为煤的低碳化和清洁化提供了一个新的思路，拓宽了煤基碳材料的开发方式。

技术特征：

1.一种利用富镜质体烟煤制备多孔石墨烯的方法，其特征在于，以烟煤为原料，依次经过破碎、研磨、酸洗、水洗、干燥处理得到低灰分细粒的粉末状样品，然后将粉末样品装填到中空圆形孔径的石墨坩埚中，并经压片工具处理制备成样品薄片，通过激光在离焦和真空环境下辐照整个薄片样品诱导得到煤基多孔石墨烯材料。

2.根据权利要求1所述的一种利用富镜质体烟煤制备多孔石墨烯的方法，其特征在于，所述烟煤为一种宏观煤岩类型为亮煤的高挥发分低变质程度的烟煤。

3.根据权利要求1所述的一种利用富镜质体烟煤制备多孔石墨烯的方法，其特征在于，经破碎和研磨后的烟煤的粒径为200目以下。

4.根据权利要求1所述的一种利用富镜质体烟煤制备多孔石墨烯的方法，其特征在于，酸洗方式为依次经过稀盐酸、氢氟酸、高氯酸三级酸洗处理，三种酸的浓度分别为15%、40%、72%；每种酸处理均在60 ℃恒温水浴中保温8小时；酸洗后样品用超纯水水洗直到滤液用ph试纸检测呈中性，干燥温度为60摄氏度，时间为24小时。

5.根据权利要求1所述的一种利用富镜质体烟煤制备多孔石墨烯的方法，其特征在于，所述使用的装填样品的容器为订制的具有中空的圆形孔径的石墨坩埚，外径为25 mm，内径为7 mm，孔深为5 mm。

6.根据权利要求5所述的一种利用富镜质体烟煤制备多孔石墨烯的方法，其特征在于，石墨坩埚中每次的装填量仅为50 mg，并被压制成1 mm的薄片。

7.根据权利要求5所述的一种利用富镜质体烟煤制备多孔石墨烯的方法，其特征在于，激光诱导使用的激光辐照系统由激光器、冷却水循环、真空泵、密闭反应室、激光电源器、样品三维工作台组成，其中激光类型为商业1064 nm波长的红外co2连续激光，激光额定功率为180 w。

8.根据权利要求1所述的一种利用富镜质体烟煤制备多孔石墨烯的方法，其特征在于，激光诱导时，离焦位置处的光斑直径为8 mm，激光功率密度3.58 w/mm2，激光辐照时间120s。

9.根据权利要求1-9任一项所述的一种利用富镜质体烟煤制备多孔石墨烯的方法制备的多孔石墨烯材料。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种利用富镜质体烟煤制备多孔石墨烯的方法制备的多孔石墨烯材料在组装三电极体系电化学储能器件中的应用。

技术总结
本发明涉及煤炭清洁高效利用中煤基碳材料领域，具体涉及一种利用富镜质体烟煤制备多孔石墨烯的方法；以烟煤为原料，依次经过破碎、研磨、酸洗、水洗、干燥处理得到低灰分细粒的粉末状样品，然后将粉末样品装填到中空圆形孔径的石墨坩埚中，并经压片工具处理制备成样品薄片，通过激光在离焦和真空环境下辐照整个薄片样品诱导得到煤基多孔石墨烯材料；所制备的煤基多孔石墨烯层数较少，比表面积较大等特点，产物在各种光电器件、电化学器件，传感器等方面具有重大的潜在应用价值，这对促进发展以煤为碳源制备高附加值石墨烯等碳材料具有重要意义，同时也为煤的清洁化、低碳化利用提供了一个具有吸引力的方法和思路。

技术研发人员：王绍清,赵云刚,王小令,张路,李洪涛
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11