[发明专利]利用果皮制备氮自掺杂三维石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用果皮制备氮自掺杂三维石墨烯的方法，属于石墨烯材料制备领域。

背景技术

石墨烯是一种碳原子以sp2杂化轨道组成六角型，且只有一个碳原子厚度的二维材料；与其他碳材料相比，石墨烯具有更好的导电性、更大的比表面积、更高的杨氏模量以及热导率；去独特的结构和一系列卓越的性能使其成为当今材料科学研究的前沿之一，在催化、电子、生物及储能领域具有广泛的应用前景；近年来，人们发现将二维石墨烯片层进行组装制备成一种三维结构材料，可以有效的阻止石墨烯片层的团聚，这种三维结构石墨烯在保持原有二维石墨烯优异电学、力学和热学性能外，更具备三维体系特有的低密度、高比表面积和高孔隙率等特点，三维结构石墨烯扩展了石墨烯材料的应用空间，具有更广阔的应用前景。

目前，文献报道的三维结构石墨烯的制备方法主要有自组装法和模板法两种。在自组装方法中，首先用有机试剂或DNA修饰氧化石墨烯得到液凝胶，如Zhu等l用N-异丙基稀酰胺修饰并交联氧化石墨烯获得液凝胶[Adv.Funct.Mater.,2012,22,4017-4022]，Xu等用DNA修饰氧化石墨烯组装后获得氧化石墨烯液凝胶[ACS Nano,2010,4,7358-7362]；再将制备的液凝胶进行冷冻干燥或超临界干燥后获得三维氧化石墨烯。在模板法中，CVD法是常用的方法，在三维的模板上进行沉积可以获得三维石墨烯。如Cao等以镍泡沫为模板，乙醇为碳源，通过CVD法制备出三维石墨烯材料[Small,2011,22,3163-3168]。上述合成方法不仅工艺复杂、成本高，并且大都是由矿物原料转化而来的。因为化石资源的有限储量以及制备过程中对环境污染严重，使用可再生的农产品废弃物制备石墨烯对于可持续发展和环境保护是至关重要的。

生物质原料具有来源丰富、没有毒性、没有污染、价格便宜等诸多优点。果皮属于一种不可回收的生活垃圾，大量丢弃的果皮增加了环境的负担。将果皮工业化利用既可变废为宝、保护环境，又可以为企业带来经济效益，具有十分重要的意义。

目前，尚未见利用果皮制备氮自掺杂三维石墨烯的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足和缺点，提供一种利用果皮制备氮自掺杂三维石墨烯的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

利用果皮制备氮自掺杂三维石墨烯的方法，是以果皮作为碳源和氮源，水热碳化后，经过活化剂的活化处理，然后酸洗烘干而得，包括以下步骤：

1)将果皮洗净并切块，加水，180～200℃水热保温反应12～24h，后处理得到黑色凝胶状碳化物；

2)将步骤1)中的凝胶状碳化物真空冷冻干燥12～48h得到初步碳化产物；

3)将步骤2)中的初步碳化产物与活化剂混合球磨均匀；

4)将步骤3)中球磨后的产物干燥直至乙醇完全挥发，然后在Ar气保护下升温到600～1000℃保温1～5h进行高温活化；

5)将步骤4)所得产物经酸洗去除未反应的活化剂和其他杂质，用水洗至中性，然后真空烘干得到氮自掺杂三维石墨烯。

按上述方案，步骤1)所述后处理为：将水热反应后产物用水反复冲洗，过滤。

按上述方案，步骤2)中真空冷冻干燥是在-60～0℃、绝对压力10～50Pa条件下进行。

按上述方案，步骤3)中的活化剂为KOH、NaOH、K₂CO₃、Na₂CO₃、ZnCl₂中的一种或几种。

按上述方案，步骤3)中活化剂为KOH时，初步碳化产物与KOH的质量比为1:1～1:5，活化剂为NaOH时，初步碳化产物与NaOH的质量比为1:1～1:5，活化剂为K₂CO₃时，初步碳化产物与K₂CO₃的质量比为1:1～1:7，活化剂为Na₂CO₃时，初步碳化产物与Na₂CO₃的质量比为1:1～1:7，活化剂为ZnCl₂时，初步碳化产物与ZnCl₂的质量比为1:1～1:4。

按上述方案，步骤3)中球磨将待球磨原料放入球磨罐中，加入乙醇至球磨罐3/4位置处，在球磨机上以500rpm的速率球磨5～8h。

按上述方案，步骤4)中的干燥温度为100～120℃。