[发明专利]一种石墨烯的制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯的制备方法，以类木质素为原料，以四氢呋喃为改性剂，以硝酸铁九水化合物为催化剂，类木质素经所述改性剂和所述硝酸铁九水化合物水浴处理后经煅烧得到石墨烯，所述类木质素为秸秆发酵沼渣或秸秆酸水解剩余物，本发明公开的石墨烯的制备方法工艺简单，实现了低附加值生物质废弃物到高附加值产品石墨烯的转变，具有重要意义。

技术领域

本发明涉及碳材料制作工艺技术领域，具体为一种石墨烯的制备方法。

背景技术

能源是人类生存与发展的基石。目前，在全球的能源体系中，人类主要依靠的能源依然是矿物能源（煤，石油等）。然而这些化石能源的大量使用，会导致温室气体以及难以降解的高分子废料大量产生，对环境产生难以恢复的影响。同时，这些能源在地球的储量有限，从长远角度看，人类必将面临能源危机，因此寻求可代替石化能源的可再生能源的任务迫在眉睫。在各类可再生能源中，生物质是独特的、唯一可再生的碳源，具有可再生、储量巨大、低硫、低氮、二氧化碳零排放的特点，据统计，生物质能源每年的产量就相当于目前人类消耗矿物能源的20倍，对于缓解石油危机和环境污染具有重大意义。

生物质能源中的木质素是自然界中唯一能提供可再生芳基化合物的非石油资源，占植物总质量的20％～30％，是第二多的天然高分子材料。但主要是作为造纸和生物燃料工业的副产品而存在，绝大部分木质素常被直接焚烧处理，效率低不说，既浪费能源又污染环境。所以，提高木质素的附加值是目前亟待解决的问题。目前，在农业生产上产生大量的秸秆废弃物，传统的处理是是采用焚烧的方式来处理这些废弃物，但是这种方式产生大量的烟雾造成严重的空气污染。目前，通过发酵工艺或酸水解工艺将秸秆中纤维素和半纤维素转化为可溶解糖，但是两种工艺均会产生大量的废渣，产生了新的固废问题。这些废渣的主要成分为木质素，因此，这些废渣可以称为类木质素。

石墨烯作为近年来的研究热点，作为目前最薄也是最坚硬的纳米材料，以其六方蜂窝状堆叠的结构，有着令人着迷的力学、热学和电学性能。将其应用于吸波领域，在减少密度的基础上，又可增强材料的吸波性能。大规模制备石墨烯的方法是氧化还原和化学气相沉积(CVD)。氧化还原法中使用了许多强氧化剂和还原剂；这种试剂有毒，对环境和人类健康有害。此外，由于严重氧化过程中引入的缺陷和残留官能团，产品质量较差。化学气相沉积满足大规模、高质量的要求。微机械剥离方法可控性较差，制得的石墨烯尺寸较小，且存在很大的不确定性，同时效率低，成本高，不适合大规模生产。而前述中的秸秆经酸水解或发酵工艺除去纤维素和半纤维素产生的废渣中含有大量的木质素，且这些木质素经过发酵或是酸水解均在一定程度下得到破坏，使其化学活性增强。而木质素中大约含55%-65%的碳，可以作为制备石墨烯等碳素材料的碳源，在制备碳材料方面存在着巨大潜力。因此，开发一种以秸秆废弃物类木质素为原料的石墨烯的制备方法，并探索石墨烯的应用前景具有重要的意义。

发明内容

为了解决以类木质素制备石墨烯的问题，本发明采用如下技术方案。

一种石墨烯的制备方法，以类木质素为原料，以四氢呋喃为改性剂，以硝酸铁九水化合物为催化剂，所述类木质素经所述改性剂和所述硝酸铁九水化合物水浴处理后经煅烧得到石墨烯，所述类木质素为秸秆发酵沼渣或秸秆酸水解剩余物，具体包括以下步骤。

（1）将类木质素、硝酸铁九水化合物、四氢呋喃加入到水中形成混合溶液，在60-100℃下水浴保持2-24小时。

（2）将步骤（1）中经加热后的混合溶液干燥处理得到前驱体。

（3）将步骤（2）中所述前驱体置于管式炉中，从常温升温至150-200℃，并在该温度下保持0.5-2h，再继续升温至700-1000℃，并在该温度下保持1-5小时，然后降至常温得到石墨烯前体。

（4）将步骤（3）中得到的石墨烯前体置于盐酸溶液清洗至不产生气泡，静置2-24小时，然后过滤出不溶物并将其至于盐酸溶液中在50-80℃水浴中保温2-3小时，冷却后超声1-2小时，然后经离心，抽滤洗涤和干燥处理得到石墨烯。