CN109399615B - 一种用生物质资源作为碳源的3d-石墨烯材料的制备方法 - Google Patents

一种用生物质资源作为碳源的3d-石墨烯材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用生物质资源作为碳源的3D‑石墨烯材料的制备方法，步骤如下：⑴将生物质溶解在水溶液中，搅拌使其溶解后，加入水溶性无机盐，继续搅拌至其形成均匀的溶液，将上述液体滴定到有机溶剂中，得到白色固体，于真空干燥箱中干燥，即得到生物质和盐的混合物；⑵物放入管式炉中碳化，将碳化后的样品分散在水中，过滤，得到黑色固体，即得3D‑石墨烯材料。本发明方法制得的3D石墨烯材料水溶性好、比表面积大、电导率高，材料片层厚度均匀,约为1～2nm，对染料废水中污染物具有较强的吸附性能，对有机染料甲基紫或亚甲蓝具有较强的吸附性能，对近红外光具有较好的吸收性并能将其转化成热能。

Description

一种用生物质资源作为碳源的3D-石墨烯材料的制备方法
技术领域
本发明属于功能化材料制备技术领域，尤其是一种用生物质资源作为碳源的3D-石墨烯材料的制备方法。
背景技术
石墨烯是一种由sp2杂化碳构成蜂窝状的2D平面碳材料，因其具有良好的物理或化学性质，如电导率高、柔韧性好、比表面积大和近红外光热转化，广泛地应用于电池、水体净化等领域。3D石墨烯是指石墨烯片层间相互连接成三维网状结构，这种三维结构解决单片石墨烯间的堆叠的同时又产生出大量的多层次通道，非常有利于传质、吸附和负载。
目前，制备3D石墨烯的方法多种多样，包括以金属泡沫作为模板的化学气相沉积法(CVD)和通过氧化石墨烯(GO)自组装成3D结构。但是这些方法操作复杂，制作成本高。近年来用生物质作为碳源制备石墨烯成为石墨烯制备中新的一员，但是目前市场上还没有相关的产品是以生物质作为碳源制备出三维结构的石墨烯，因此制作一种用生物质资源作为碳源的3D-石墨烯是非常必要的。
通过检索，尚未发现与本发明专利申请相关的专利公开文献。
发明内容
本发明目的在于现有技术的不足之处，提供一种用生物质资源作为碳源的3D-石墨烯材料的制备方法，该方法生物相容性好、方法简单，制得的3D-石墨烯材料具有较高的电导率，对近红外光具有很好的吸收性和对甲基紫及亚甲蓝染料具有很好的吸附性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用生物质资源作为碳源的3D-石墨烯材料的制备方法，步骤如下：
⑴将生物质溶解在水溶液中，搅拌使其溶解后，加入水溶性无机盐，继续搅拌至其形成均匀的溶液，将上述液体滴定到有机溶剂中，得到白色固体，于真空干燥箱中干燥，即得到生物质和盐的混合物；
其中，所述生物质：盐的质量比为1:1～1:10；
⑵将步骤⑴中生物质和盐的混合物放入管式炉中碳化，将碳化后的样品分散在水中，过滤，得到黑色固体，即得3D-石墨烯材料。
而且，所述步骤⑴中生物质为水溶性生物分子。
而且，所述水溶性生物分子为氨基酸或糖。
而且，所述步骤⑴中搅拌温度为常温，20～30℃。
而且，所述步骤⑴中水溶性无机盐为硫酸铜或硫酸钠或氯化钾或氯化钠。
而且，所述步骤⑴中有机溶剂为与水互溶的有机溶剂。
而且，所述与水互溶的有机溶剂为乙醇或异丙醇或甲醇。
而且，所述步骤⑴中滴定时用注射泵滴定到有机溶剂中，且注射泵滴定速度为200-1000ul/min。
而且，所述步骤⑴中干燥的具体条件为80～120℃，4～12小时。
而且，所述步骤⑵中管式炉中碳化时，管式炉的升温程序为：
以1～5℃/min从室温升到200～500℃并且维持1～2小时,再以1～5℃/min升温到500～900℃，维持1～2小时。
本发明取得的优点和积极效果为：
1、本发明方法制得的3D石墨烯材料水溶性好、比表面积大、电导率高，材料片层厚度均匀,约为1～2nm，对染料废水中污染物具有较强的吸附性能，对有机染料甲基紫或亚甲蓝具有较强的吸附性能，对近红外光具有较好的吸收性并能将其转化成热能；此外该方法选用生物质作为碳源，可以大规模生产且成本较低，极大地节约了生产成本，具有广阔的应用前景。
2、本发明方法合成过程简单，生物相容性好，条件易于控制，所制得的材料结构较均一，具有较好的电导率，近红外光热转化，水溶性和比表面积，可以用于作为电池电极材料、发热膜、吸附剂，实现了一种材料多种用途，具有广阔的应用前景。
3、本发明方法制得的3D石墨烯的合成过程简单，后续模板盐的去除过程操作简单，只需用水溶解，并且这种水溶性无机盐可以二次再利用，具有很广的应用前景。
4、本发明方法的3D石墨烯的3D结构的形成仅需一步反应即可得到，反应过程简单，提高了工作效率。
5、本发明方法的3D石墨烯的碳源选用生物质，如氨基酸，糖，极大地节约了生产成本，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明用生物质源作为碳源制得的3D-石墨烯材料的扫描电镜图，从图1中可看出本发明方法制得的片层厚度均匀，各个片层间相互连接成3D结构；
图2为本发明用生物质源作为碳源制得的3D-石墨烯材料的透射电镜图，从图2中可看出本发明方法制得的材料片成很薄，片层厚度为1-2nm；
图3为本发明用生物质源作为碳源制得的3D-石墨烯材料的XRD图，从图3中可以看出本发明方法制得的材料的晶型很好。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施例，需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本发明中所使用的原料，如无特殊说明，均为常规的市售产品；本发明中所使用的方法，如无特殊说明，均为本领域的常规方法。
实施例1
一种用蛋白质为碳源的3D-石墨烯材料的制备方法，步骤如下：
⑴将牛血清蛋白溶解在水溶液中，20℃搅拌使其溶解后，加入硫酸钠，继续搅拌至其形成均匀的溶液，将上述液体用注射泵滴定到乙醇中(滴定速度200ul/min)，得到白色固体，于80℃～120℃的真空干燥箱中干燥4～12小时，即得到牛血清蛋白和盐的混合物；
其中，所述牛血清蛋白和盐的质量比为1:3；
⑵将步骤⑴蛋白质和盐的混合物放入管式炉中碳化，将碳化后的样品分散在水中，过滤，得到黑色固体，即得3D-石墨烯材料。
其中升温程序为：以2℃/min从室温升到300℃并且维持2小时,再以3℃/min升温到500℃，维持1小时。
实施例2
一种用甘氨酸为碳源的3D-石墨烯材料的制备方法，步骤如下：
⑴将甘氨酸溶解在水溶液中，20℃搅拌使其溶解后，加入氯化钾，继续搅拌至其形成均匀的溶液，将上述液体用注射泵滴定到异丙醇中(滴定速度300ul/min)，得到白色固体，于80℃～120℃的真空干燥箱中干燥4～12小时，即得到甘氨酸和盐的混合物；
其中，所述甘氨酸和盐的质量比为1:5；
⑵将步骤⑴甘氨酸和盐的混合物放入管式炉中碳化，将碳化后的样品分散在水中，过滤，得到黑色固体，即得3D-石墨烯材料。
其中升温程序为：以3℃/min从室温升到200℃并且维持1～2小时,再以1℃/min升温到600℃，维持1～2小时。
实施例3
一种用谷氨酸为碳源的3D-石墨烯材料的制备方法，步骤如下：
⑴将谷氨酸溶解在水溶液中，常温(25℃)搅拌使其溶解后，加入硫酸铜，继续搅拌至其形成均匀的溶液，将上述液体用注射泵滴定到异丙醇中(滴定速度500ul/min)，得到白色固体，于80℃～120℃的真空干燥箱中干燥4～12小时，即得到谷氨酸和盐的混合物；
其中，所述谷氨酸和盐的质量比为1:8；
⑵将步骤⑴谷氨酸和盐的混合物放入管式炉中碳化，将碳化后的样品分散在水中，过滤，得到黑色固体，即得3D-石墨烯材料。
其中升温程序为：以2℃/min从室温升到350℃并且维持1～2小时,再以3℃/min升温到700℃，维持1～2小时。
实施例4
一种用糖作为碳源的3D-石墨烯材料的制备方法，步骤如下：
⑴将葡萄糖溶解在去离子水中，常温搅拌使其溶解后，加入氯化钠，搅拌至其形成均匀的溶液，将上述液体用注射泵滴定到乙醇中(滴定速度300ul/min)，得到白色固体，于80℃～120℃的真空干燥箱中干燥4～12小时，即得到葡萄糖和氯化钠的混合物；
其中，所述葡萄糖和盐的质量比为1:5；
⑵将步骤⑴葡萄糖和盐的混合物放入管式炉中碳化，将碳化后的样品分散在水中，过滤，得到黑色固体，即得3D-石墨烯材料。
其中升温程序为：以5℃/min从室温升到300℃并且维持1～2小时,再以3℃/min升温到600℃，维持1～2小时。
实施例5
一种用糖作为碳源的3D-石墨烯材料的制备方法，步骤如下：
⑴将葡萄糖溶解在去离子水中，常温搅拌使其溶解后，加入氯化钠，搅拌至其形成均匀的溶液，将上述液体用注射泵滴定到甲醇中(滴定速度600ul/min)，离心得到白色固体，于真空干燥箱中干燥，即得到葡萄糖和氯化钠的混合物；
其中，所述葡萄糖和氯化钠的质量比为1:6；
⑵将步骤⑴葡萄糖和氯化钾混合物放入管式炉中碳化，将碳化后的样品分散在水中，过滤，得到黑色固体，即得3D-石墨烯材料。
其中升温程序为：以3℃/min从室温升到500℃并且维持1～2小时,再以5℃/min升温到900℃，维持1～2小时。
本发明用生物质源作为碳源的3D-石墨烯材料的相关检测：
1、本发明用生物质源作为碳源的3D-石墨烯材料的扫描电镜图测试，结果如图1所示，从图1中可看出本发明片层厚度均匀，各个片层间相互连接成3D结构；
2、本发明用生物质源作为碳源的3D-石墨烯材料的透射电镜图检测，结果如图2所示，从图2中可看出本发明材料的片层很薄，片层厚度为1-2nm；
3、本发明用生物质源作为碳源的3D-石墨烯材料的XRD图，结果如图3所示，从图3中可看出本发明材料的晶型很好。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (1)

1.一种用生物质资源作为碳源的3D-石墨烯材料的制备方法，其特征在于：步骤如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
将生物质溶解在水溶液中，搅拌使其溶解后，加入水溶性无机盐，继续搅拌至其形成均匀的溶液，将上述液体滴定到有机溶剂中，得到白色固体，于真空干燥箱中干燥，即得到生物质和盐的混合物；
其中，所述生物质：盐的质量比为1:1~1:10；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
将步骤
Figure 156048DEST_PATH_IMAGE002
中生物质和盐的混合物放入管式炉中碳化，将碳化后的样品分散在水中，过滤，得到黑色固体，即得3D-石墨烯材料；
所述步骤
Figure 604347DEST_PATH_IMAGE002
中生物质为水溶性生物分子；
所述水溶性生物分子为氨基酸或糖；
所述步骤
Figure 790609DEST_PATH_IMAGE002
中水溶性无机盐为硫酸铜或硫酸钠或氯化钾或氯化钠；
所述步骤
Figure 716976DEST_PATH_IMAGE002
中有机溶剂为与水互溶的有机溶剂；
所述步骤
Figure 187141DEST_PATH_IMAGE002
中干燥的具体条件为80~120 ℃，4~12小时；
所述步骤
Figure 540762DEST_PATH_IMAGE004
中管式炉中碳化时，管式炉的升温程序为：
以1~5 ℃/min从室温升到200~500 ℃并且维持1~2小时, 再以1~5 ℃/min升温到500~900 ℃，维持1~2小时；
所述步骤
Figure 214320DEST_PATH_IMAGE002
中搅拌温度为20~30 ℃；
所述与水互溶的有机溶剂为乙醇或异丙醇或甲醇；
所述步骤
Figure 678799DEST_PATH_IMAGE002
中滴定时用注射泵滴定到有机溶剂中，且注射泵滴定速度为200-1000 μL/min。
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