一种稻壳基多孔石墨烯的制备方法及应用与流程

本发明涉及石墨烯制备，尤其涉及一种稻壳基多孔石墨烯的制备方法及应用。

背景技术：

1、近年来，随着人们对有序碳的不同同素异形体研究的不断深入，石墨烯材料得到了广泛的市场认同；石墨烯材料既可以作为吸附剂吸附水环境中的污染物，也可以作为高级氧化技术的催化剂，促进有机污染物的降解，还可以作为电极材料应用于电化学储能领域；现在石墨烯的制备方法主要是机械剥离、化学气相沉积、氧化还原等，但这些方法存在着产率低、成本高、工序复杂，制备温度高等问题。并且主要使用不可再生的矿物来源石墨或其他含碳有机化合物作为生产原料。对于石墨烯行业的可持续发展造成实际的限制。

2、现有技术中，如公开号为cn115594170a公开的一种石墨烯粉体的制备方法的发明专利，利用公开方法制备的石墨烯粉体不易团聚，且具有良好的电化学电容行为；再如公开号为cn106744918a公开的一种生物碳石墨化的方法的发明专利，①先将生物碳前体放入真空碳化机，在真空度5×10-2-5×10-4pa，900-1300℃下，将其炭化成碳粉；②将碳粉加入酸液中搅拌均匀，反应48-72h，所述的酸液为hf水溶液和hcl水溶液；③将提纯后的碳粉置于烘箱中烘干；④将烘干后的碳粉在2700-3000℃的条件下保温，后冷却至室温，得石墨化碳；又如公开号为cn110171818b公开的一种玉米秸秆中石墨烯的提取方法，方法纤维素有效提取率高，含碳气体回收率高，并通过水洗气体，能够转化更多的石墨烯，且制备的石墨烯杂质含量高；公开号为cn112919451b公开的用于处理有机污染物的生物质石墨烯及其制备方法的发明专利，方法不仅提高了废弃生物质资源的利用率和餐厨垃圾水解残渣的转化效益，还为高级氧化过程催化剂的制备提供了一种可持续的方法等。

3、目前生物质的来源丰富，可再生含碳量较高，杂质含量低，价格低，是制备石墨烯较理想的原料，目前将生物质资源向石墨烯产品方向转化，已经取得一定的研究成果，但要实现工业化应用还需要解决如下几个问题：1)生物质转化为石墨烯的条件苛刻，需要高温，高压的苛刻反应条件；2)催化剂稳定性差，反应后不易回收，且污染环境；3)生物质转化产物选择性不高，产品的质量不高，收率低。

4、综合上所述现有的生物质制备石墨烯的技术，在不采用催化剂时，能耗材耗极高；以金属氯化物催化剂为主导的催化石墨化过程存在催化剂处理及设备腐蚀等问题；负载催化剂需要具有一定吸附性的碳前体以及较长的浸渍时间；市场中的生物质石墨烯产品大多比表面积低，且缺陷度较高；除洗金属离子过程存在着催化剂分离及重复使用问题,限制了产品的可持续制备，并且不能在1000℃以下的低温条件获得质量高的生物质基石墨烯产品，因此，本发明提出一种稻壳基多孔石墨烯的制备方法及应用以解决现有技术中存在的问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出一种稻壳基多孔石墨烯的制备方法，该稻壳基多孔石墨烯的制备方法以机械球磨混合有机体催化剂和碳源，有机配体催化剂在700-1000℃的中温条件下将碳质原料直接转化为石墨烯材料，石墨烯的产率达40-50％；并且催化剂金属组分经回收后重新转化为催化剂进行重复使用；过程具有反应条件相对温和、生产成本低、过程环保的优点，为石墨烯的宏量、低成本及可持续制备提供了可行的技术方案。

2、为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种稻壳基多孔石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

3、步骤一、稻壳预处理，以收集的废弃稻壳为原料，使用清水洗净表面泥土后进行烘干，随后使用粉碎机进行粉碎后过筛保存，得到稻壳粉；

4、步骤二、物料混合，将稻壳粉和催化剂加入球磨机中球磨混合，得到混合粉料；

5、步骤三、石墨烯化处理，将得到的混合粉料置于气氛炉中，在通入惰性气体保护气氛条件下进行催化石墨烯化，得到含石墨烯的产物；

6、步骤四、酸洗处理，采用乙二酸四乙酸和去离子水依次对催化热解得到的含石墨烯的产物进行处理，直至ph值为中性后进行干燥，得到稻壳基多孔石墨烯；

7、步骤五、回收处理，将步骤四中酸洗反应后得到的乙二胺四乙酸盐溶液的ph值调至6～8后进行蒸馏提浓，随后向浓缩液中加入乙醇溶液，过滤，得到结晶状乙二胺四乙酸盐催化剂。

8、进一步改进在于：所述步骤一中烘干时，在80～120℃环境下烘干12h，使原料的含水量小于5％，烘干后粉碎过筛时使用200目的筛网过筛，过筛不合格的稻壳粉继续返回粉碎机中反复粉碎过筛。

9、进一步改进在于：所述步骤二中催化剂为乙二胺四乙酸铁、乙二胺四乙酸钴、乙二胺四乙酸镍、乙二胺四乙酸锰的一种或多种混合物，所述稻壳粉和催化剂的混合质量比为0.25～3:1，优选为0.5～2.5:1。

10、进一步改进在于：所述步骤二中球磨时球料比为8:1～2:1，优选为4:1～2:1，球磨混合时间为0.5～8.0h，优选为1～4h。

11、进一步改进在于：所述步骤三中催化石墨烯化过程的温度为700～1000℃，优选为800～950℃，升温速度控制在1～15℃/min，优选为1～10℃/min，保温时间为0.5～3h，过程中通入氮气作为保护气体。

12、进一步改进在于：所述步骤四中制得的稻壳基多孔石墨烯碳含量为96％～98％；所述步骤五中加入的乙醇溶液浓度为95％～99％。

13、一种稻壳基多孔石墨烯在生产导电剂、导热剂、材料增强助剂产品及材料中的应用。

14、本发明的有益效果为：本发明以机械球磨混合有机体催化剂和碳源，有机配体催化剂在700-1000℃的温合条件下将碳质原料直接转化为石墨烯材料，并且催化剂金属组分经回收后重新转化为催化剂进行重复使用，石墨烯产品的产率达40-50％；过程具有反应条件相对温和、催化剂可重复使用及生产成本低的优点；

15、且过程环保，为石墨烯的宏量、低成本及可持续制备提供了可行的技术方案。

技术特征：

1.一种稻壳基多孔石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种稻壳基多孔石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤一中烘干时，在80～120℃环境下过夜烘干12h，使原料的含水量小于5％，烘干后粉碎过筛时使用200目的筛网过筛，过筛不合格的稻壳粉继续返回粉碎机中反复粉碎过筛。

3.根据权利要求1所述的一种稻壳基多孔石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤二中催化剂为乙二胺四乙酸铁、乙二胺四乙酸钴、乙二胺四乙酸镍、乙二胺四乙酸锰的一种或多种混合物，所述稻壳粉和催化剂的混合质量比为0.25～3:1。

4.根据权利要求1所述的一种稻壳基多孔石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤二中球磨时球料比为8:1～2:1，球磨混合时间为0.5～8.0h。

5.根据权利要求1所述的一种稻壳基多孔石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤三中催化石墨烯化过程的温度为700～1000℃，升温速度控制在1～15℃/min，保温时间为0.5～3h，过程中通入氮气作为保护气体。

6.根据权利要求1所述的一种稻壳基多孔石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤四中制得的稻壳基多孔石墨烯碳含量为96％～98％；所述步骤五中加入的乙醇溶液浓度为95％～99％。

7.根据权利要求1所述的一种稻壳基多孔石墨烯的制备方法，所得的稻壳基多孔石墨烯在生产导电剂、导热剂、材料增强助剂产品及材料中的应用。

技术总结
本发明公开一种稻壳基多孔石墨烯的制备方法，包括步骤一、稻壳清洗烘干后粉碎过筛处理，步骤二、使用催化剂与稻壳粉混合球磨处理，步骤三、催化热解石墨烯化处理得到含石墨烯的产物，步骤四、酸洗去除金属组分得到多孔石墨烯，步骤五、回收金属组分获得再生催化剂；本发明以机械球磨混合有机体催化剂和碳源，有机配体催化剂在700‑1000℃的中温条件下将碳质材料直接转化为石墨烯材料，并且催化剂金属组分经回收后重新转化为催化剂进行重复使用，石墨烯产品的产率达40‑50％；过程具有反应条件相对温和、催化剂可重复使用及生产成本低的优点。

技术研发人员：张龙,刘鹏飞,魏超,张智淳
受保护的技术使用者：吉林省格瑞节能科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14