[发明专利]一种制备石墨烯的方法

说明书

本发明公开了一种制备石墨烯的方法，利用可再生生物质材料为原材料，通过冷冻干燥和高温碳化处理即可制备得到石墨烯，并开拓了冷冻干燥新方法。本发明制备的石墨烯呈片状，可通过调节生物质溶液的浓度来调控石墨烯的形貌结构，可通过高温碳化温度调节石墨烯化学成分。所有原料及试剂来源广泛易获得、成本低廉、可降解，对人体和环境无害；制备过程不需要催化剂，工艺简单方便，易于实现大规模的工业化生产，为简便制备石墨烯提供了新的理论指导和技术支持，同时提高生物质材料的高附加值应用，具有良好的经济效益。

技术领域

本发明涉及碳材料制备技术领域，特别的涉及一种制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种由六角峰巢晶格堆积起来的二维单原子层碳材料，这种几乎完全透明、质轻、柔韧的材料不仅是目前已知最薄、最坚硬的纳米材料，而且具有许多优异的性能，比如石墨烯的导热系数约为5300W/m·K，高于天然石墨、碳纳米管和金刚石等材料；石墨烯常温下的电子迁移率大于15000cm²/V·s，高于纳米碳管和硅晶体；石墨烯的电导率高达10-6 S/m，比铜或银更低，是目前电导率最高的材料。这是基于石墨烯的这些独特的物理及化学性能，使其在锂离子电池、超级电容器、太阳能电池、发光二极管、传感器、储氢、催化剂载体、复合材料、涂料、生物支架材料、药物控制释放等领域有广泛的应用前景，越来越受到人们的重视。

目前，可采用许多种方法均可用于制备石墨烯，如微机械剥离法、溶剂剥离法、氧化-还原法、晶体外延生长法、化学气相沉积法、微波法和电化学法等。在这些方法中，微机械剥离法和晶体外延生长法制备效率比较低，目前难以满足大规模生产的需要；化学气相沉积法虽然可以获得大尺寸连续的石墨烯薄膜，但适用于电子器件和透明的导电薄膜，却不能满足储能材料及功能复合材料领域的大规模需求；氧化-还原法制备石墨烯粉体的成本低廉且容易实现，但是所制备的石墨烯通常含有较多的缺陷，且在制备过程中会产生大量的废水或废气，对环境造成严重污染；微波法和电化学法具有反应周期短、高效率、绿色无污染和所制备的石墨烯形貌较完整、缺陷少等优点，然而由此制备的石墨烯产量少，尚不能实现大规模的工业化生产。

木质素、碱木质素、纤维素、海藻酸钠、单宁酸等生物质碳源材料是一种储量丰富、可再生的重要资源，可再生生物质材料是世界上储碳量最为丰富的资源，由于其来源广泛易获得、成本低廉、含碳丰富等特点可作为一种优良的多孔碳材料前驱体；目前，利用可再生生物质材料作为前驱体制备碳材料，从而生产对人体和环境无害，可降解、价廉的生物质碳气凝胶是倍受关注的研究方向。但很少有文献报道应用生物质材料制备生物质基石墨烯。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种新型高效制备石墨烯的方法，解决现有石墨烯制备成本高，工艺复杂条件苛刻不容易控制，环境污染大，能耗高，而且不能实现大规模的工业化生产，所制备石墨烯不易存储等问题，同时拓展了冷冻干燥方法，实现在常压条件下的冷冻干燥，并促进可再生生物质材料的高附加值应用。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种制备石墨烯的方法，包括以下步骤：

1）将生物质碳源材料溶于溶剂中，充分混合，得到浓度为5~50mg/mL的混合溶液，将所述混合溶液冷冻干燥，得到纳米厚度的片状结构多孔气凝胶；

2）将步骤1）得到的片状结构多孔气凝胶在真空或惰性气氛下高温碳化处理，即可得到石墨烯。

这样，直接使用冷冻干燥技术，可以实现木质素等生物质分子的单层或多层的片状分布，并可通过控制浓度调控前驱体结构及分布，制备得到的石墨烯前驱体具有纳米功能的生物质气凝胶，可以极大的增加其比表面积和孔结构，其物理形貌结构与石墨烯或氧化石墨烯极其相似；进一步，通过高温热处理的方式实现有机碳源材料的碳化与石墨化，完成化学结构的转化，由有机转化为石墨的碳成分，而最终实现石墨烯的制备，并且通过调节碳化温度可以控制石墨化程度。