CN104261390B - 一种以植物绿叶与石灰石为原料制备石墨烯的方法 - Google Patents
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Abstract
一种以植物绿叶与石灰石为原料制备石墨烯的方法是将植物绿叶粉末和碳酸钙粉末混合研磨，在氩气的保护下高温焙烧，石灰石热分解释放的二氧化碳被叶绿素中的镁原位还原后得到石墨烯。本发明可以大幅度降低制备成本，工艺安全性高，是一种绿色环保的低碳节能生产工艺。
Description
技术领域
本发明涉及一种以植物绿叶与石灰石为原料制备石墨烯的方法。确切地说是利用高温裂解石灰石产生二氧化碳，用植物绿叶中的镁将其原位还原来制备石墨烯。
背景技术
石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体，碳原子排列与石墨的单原子层一样呈蜂窝状，是构建零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨材料的基本单元，是目前最理想的二维纳米材料。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，保持了结构的稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优异的导热、导电性能。石墨烯也是人类已知的强度最高的材料，石墨烯比钻石还强硬，它的强度比世界上最好的钢铁还高100倍，达130Gpa。地球上的石墨资源丰富，而石墨烯堪称是人类已知的强度最高，导电性、导热性最好的物质，其热导率可达5000W·m-1·K-1，是金刚石、石墨的3倍，是传统金属材料银、铜及铝的25倍，所以它将拥有众多令人神往的应用前景。
在目前的石墨烯的制备方法中，外延取向生长法需要使用昂贵的稀有金属且反应温度较高；化学气相沉积法产量低，因此也不适合大批量生产；微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯，但产率低和成本高，只能作为实验室小规模制备；氧化石墨的化学还原分散法(Hummers法)和氧化石墨的热膨胀法所得石墨烯的活性边缘被破坏，影响它的使用，此外宏量制备容易带来废液污染，废酸及废水的处理问题限制了它的应用；液相剥离法是将少量的石墨分散于溶剂中，形成低浓度的分散液，利用超声波或空化射流的作用破坏石墨层间的范德华力，进行层层剥离，制备出石墨烯，但是目前该方法的缺点是产率太低。专利(ZL201210082281.0)中报道了通过焙烧金属镁和石灰石，用金属镁还原新生态的二氧化碳来制备石墨烯。石灰石在地球上的储量丰富，而且价格低廉。镁的储量也很丰富，但是金属镁的价格还是很昂贵，所以此方法不适合于工业化制备石墨烯。因此本发明提出了利用菠菜叶、树叶、青草等植物绿叶来代替金属镁，与石灰石粉末混合焙烧来制备石墨烯，所以本工艺原材料成本低廉，绿色低碳，适合于工业化生产石墨烯。
发明内容
为了克服现有技术在制备石墨烯的过程中使用昂贵的金属镁，成本高的缺点，本发明提供了一种用植物绿叶中的镁来还原新生态的二氧化碳制备石墨烯的方法。
本发明采用下述方法制备：
1)将干燥的植物绿叶和碳酸钙粉末混合研磨，研磨时间为10～40分钟；
2)将粉料装入高温炉内，在氩气的保护下4～6小时内升温到800～1100℃，在800～1100℃下反应30～60分钟，然后在氩气的保护下冷却到室温，即得到黑色的粉末；
3)将所得黑色粉末与氢离子浓度为2～6摩尔/升的酸溶液反应20～40分钟，然后用蒸馏水清洗至中性，即得到石墨烯。
如上所述的酸为硫酸、硝酸或盐酸。
植物绿叶中的镁元素是以叶绿素中的卟啉镁的形态存在，在氩气保护下高温焙烧后，叶绿素中的镁元素会形成纳米镁点阵。碳酸钙的热分解放出二氧化碳，新生态的二氧化碳与含纳米镁的颗粒物发生原位反应，即二氧化碳被还原生成石墨烯。本发明相比现有技术的优点在于：由于使用自然界广泛存在的植物绿叶代替昂贵的金属镁，所以具有制备工艺过程简单，原材料来源广泛，成本低，安全性高，绿色环保的优点。
附图说明
图1为在900℃下反应60分钟，得到的石墨烯SEM图。
图2为在900℃下反应60分钟，得到的石墨烯TEM图。
图3为在900℃下反应60分钟，得到的石墨烯Raman谱图
具体实施方式
实施例1：将菠菜粉末和碳酸钙粉末混合研磨，研磨时间为30分钟；将粉料装入高温炉内，在氩气的保护下5小时内升温到900℃，在900℃下反应60分钟，然后在氩气的保护下冷却到室温，即得到黑色的粉末。将所得黑色粉末与氢离子浓度为4摩尔/升的盐酸溶液反应20分钟，然后用蒸馏水清洗至中性，即得到石墨烯。所得石墨烯SEM如图1所示，TEM如图2所示，Raman光谱图如图3所示
实施例2：将滴水观音叶粉末和碳酸钙粉末混合研磨，研磨时间为20分钟；将粉料装入高温炉内，在氩气的保护下4小时内升温到850℃，在850℃下反应40分钟，然后在氩气的保护下冷却到室温，即得到黑色的粉末。将所得黑色粉末与氢离子浓度为2摩尔/升的硫酸溶液反应40分钟，然后用蒸馏水清洗至中性，即得到石墨烯。
实施例3：将柳树叶粉末和碳酸钙粉末混合研磨，研磨时间为40分钟；将粉料装入高温炉内，在氩气的保护下6小时内升温到1000℃，在1000℃下反应20分钟，然后在氩气的保护下冷却到室温，即得到黑色的粉末。将所得黑色粉末与氢离子浓度为4摩尔/升的盐酸溶液反应20分钟，然后用蒸馏水清洗至中性，即得到石墨烯。
Claims (1)
1.一种以植物绿叶与石灰石为原料制备石墨烯的方法，其特征在于包括下述步骤：
1)将干燥的植物绿叶和碳酸钙粉末混合研磨，研磨时间为10～40分钟；
2)将粉料装入高温炉内，在氩气的保护下4～6小时内升温到800～1100℃，在800～1100℃下反应30～60分钟，然后在氩气的保护下冷却到室温，即得到黑色的粉末；
3)将所得黑色粉末与氢离子浓度为2～6摩尔/升的酸溶液反应20～40分钟，然后用蒸馏水清洗至中性，即得到石墨烯；
所述的酸为硫酸、硝酸或盐酸；
所述植物绿叶，选择菠菜、滴水观音叶、柳树叶中的任意一种。
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