CN112194119A - 一种由固体糖合成三维石墨烯的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由固体糖合成三维石墨烯的方法，属于三维石墨烯合成技术领域。该方法将固体糖和无机钠盐混合；将混合物置于用惰性或还原性气体保护的反应器中进行反应，反应后在相同气氛保护下冷却到室温，得到固体产物；将上述固体产物洗涤、过滤、干燥得到氮杂石墨烯产品。本发明具有无污染、低成本、工艺简单、可大规模制备的特点。

Description

一种由固体糖合成三维石墨烯的方法
技术领域
本发明属于三维石墨烯合成技术领域，具体涉及一种由固体糖合成三维石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯是一种二维碳材料，由于其杰出的电学、热学和力学等特性，在能源存储与转换、电子信息及其生物传感等领域具有广阔的应用前景。然而，石墨烯二维结构在实际使用时，由于其较强的π-π相互作用，很容易发生层间堆叠，引起导电性、比表面积和活性位点下降，致使基于石墨烯器件的性能降低。
三维石墨烯，具有丰富连通孔道结构和高的比表面积，能够克服石墨烯易堆叠导致的导电性差等问题。但是能否实现三维石墨烯的大规模生产是制约三维石墨烯能否广泛应用的关键。现有的制备三维石墨烯的方法有溶胶凝胶法、化学腐蚀法和模板法等。例如，溶胶凝胶法是通过将氧化石墨烯水溶液还原或组装、干燥过程制备三维石墨烯。化学腐蚀法，是指将氧化石墨烯采用KOH活化法或硝酸氧化腐蚀法，获得三维多孔石墨烯。模板法，一般采用泡沫镍、二氧化硅或沸石等模板，然后采用强酸去除模板，合成多孔三维石墨烯。上述方法中，溶胶凝胶法和化学腐蚀法中涉及到复杂且繁琐的氧化石墨烯的制备步骤，化学腐蚀法和模板法中用到环境污染的强酸强碱物质，因此，现有的技术对于实现三维石墨烯的大规模制备仍面临很大挑战。另外，制备三维石墨烯原料的成本和来源也是影响三维石墨烯能否大规模生产和广泛应用的关键因素。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本、无污染、操作简单、可规模化合成三维石墨烯的方法。
本方法以来源广泛、价格低廉的固体糖和无机钠盐(碳酸钠、氯化钠或硫酸钠)为原料，无需对原料进行预处理，一步合成三维石墨烯，所得石墨烯具有三维网络结构，能够有效抑制石墨烯的π-π堆叠，且所合成的三维石墨烯具有大的比表面积，该方法在三维石墨烯大规模制备方面具有大的优势。
本发明的制备方法如下：
(1)将固体糖和无机钠盐混合(三者摩尔比为1:0.1-20)；
(2)将混合物置于用惰性或还原性气体保护的反应器中进行反应，反应后在相同气氛保护下冷却到室温，得到固体产物；
(3)将上述固体产物用水洗涤、过滤、干燥得到三维石墨烯产品。
所述的固体糖包括葡萄糖、***糖、乳糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、木糖、甘露糖和山梨糖。
所述的无机钠盐为碳酸钠、氯化钠或硫酸钠。
所述的惰性气氛为氩气或氮气。
所述的还原气氛为氢气。
所述的混合包括机械研磨混合或溶液混合(将固体糖和无机钠盐分别制成溶液混合后，去除溶剂得到固体混合物)。
所述的反应温度为300-1500℃。
所述的反应时间为0.1-200min。
本发明具有如下优点：
(1)所用固体糖和无机钠盐为原料，原料廉价易得，无需预处理，成本低廉。
(2)合成工艺流程简单，操作简便，易于控制、影响因素少，重复性好。
(3)合成的三维石墨烯具有连通的网络结构。
(4)所使用的无机钠盐(碳酸钠、氯化钠或硫酸钠)可以回收利用。
(5)便于规模化大量合成三维石墨烯。
附图说明
图1是本发明实施例1三维石墨烯的扫描电镜(SEM)照片。
图2是本发明实施例5三维石墨烯的扫描电镜(SEM)照片。
图3是本发明实施例7三维石墨烯的扫描电镜(SEM)照片。
具体实施方式
实施例1
将葡萄糖和碳酸钠按摩尔比1:8混合，采用机械研磨法研磨均匀。取2g放置于氩气氛保护的反应器中，在1000℃反应2min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤、过滤、干燥，收集产物。SEM图片显示所合成样品呈现出连通的网络状结构，AFM图片显示样品的厚度约为1.7nm。
实施例2
将乳糖和氯化钠按摩尔比1:10混合，采用机械研磨法研磨均匀。取2g放置于氩气氛保护的反应器中，在800℃反应10min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤、过滤、干燥，收集产物。SEM图片显示所合成样品呈现出连通的网络状结构，AFM图片显示样品的厚度约为3nm。
实施例3
将果糖和硫酸钠按摩尔比1:10混合，采用机械研磨法研磨均匀。取2g放置于氩气氛保护的反应器中，在600℃反应20min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤、过滤、干燥，收集产物。SEM图片显示所合成样品呈现出连通的网络状结构，AFM图片显示样品的厚度约为3.7nm。
实施例4
将***糖和氯化钠分别溶于水，然后将两者溶液混合均匀，去除溶剂，得到***糖和氯化钠的混合产物，其中，***糖和氯化钠的摩尔比为1:10)。取2g放置于氢气氛保护的反应器中，在1000℃反应30min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤、过滤、干燥，收集产物。SEM图片显示所合成样品呈现出连通的网络状结构，AFM图片显示样品的厚度约为3nm。
实施例5
将木糖和碳酸钠分别溶于水，然后将两者溶液混合均匀，去除溶剂，得到木糖和碳酸钠的混合产物，其中木糖和碳酸钠的摩尔比为1:15)。取2g放置于氩气氛保护的反应器中，在900℃反应20min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤、过滤、干燥，收集产物。SEM图片显示所合成样品呈现出连通的网络状结构，AFM图片显示样品的厚度约为3.6nm。
实施例6
将蔗糖和硫酸钠分别溶于水，然后将两者溶液混合均匀，去除溶剂，得到***糖和硫酸钠的混合产物，其中蔗糖和硫酸钠的摩尔比为1:8)。取2g放置于氮气氛保护的反应器中，在700℃反应50min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤、过滤、干燥，收集产物。SEM图片显示所合成样品呈现出连通的网络状结构，AFM图片显示样品的厚度约为3.2nm。
实施例7
将麦芽糖和碳酸钠分别溶于水，然后将两者溶液混合均匀，去除溶剂，得到麦芽糖和硫酸钠的混合产物，其中麦芽糖和碳酸钠的摩尔比为1:10)。取2g放置于氮气氛保护的反应器中，在1100℃反应10min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤、过滤、干燥，收集产物。SEM图片显示所合成样品呈现出连通的网络状结构，AFM图片显示样品的厚度约为2.0nm。
实施例8
将山梨糖和硫酸钠按摩尔比1:0.1混合，采用机械研磨法研磨均匀。取2g放置于氩气氛保护的反应器中，在900℃反应120min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤、过滤、干燥，收集产物。SEM图片显示所合成样品呈现出连通的网络状结构，AFM图片显示样品的厚度约为2.7nm。
实施例9
将葡萄糖和硫酸钠按摩尔比1:15混合，采用机械研磨法研磨均匀。取2g放置于氩气氛保护的反应器中，在800℃反应100min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤、过滤、干燥，收集产物。SEM图片显示所合成样品呈现出连通的网络状结构，AFM图片显示样品的厚度约为2.3nm。
实施例10
将甘露糖和氯化钠按摩尔比1:0.5混合，采用机械研磨法研磨均匀。取2g放置于氩气氛保护的反应器中，在900℃反应5min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤、过滤、干燥，收集产物。SEM图片显示所合成样品呈现出连通的网络状结构，AFM图片显示样品的厚度约为2.8nm。

Claims (9)

1.一种由固体糖合成三维石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将固体糖和无机钠盐混合；
将混合物放置于用惰性或还原气体保护的反应器中进行反应，反应后在相同气氛保护下冷却到室温，得到固体产物；
将上述固体产物洗涤、过滤、干燥得到三维石墨烯产品。
2.如权利要求1所述的一种由固体糖合成三维石墨烯的方法，其特征在于，所述的固体糖包括葡萄糖、***糖、乳糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、木糖、甘露糖和山梨糖。
3.如权利要求1所述的一种由固体糖合成三维石墨烯的方法，其特征在于，所述的无机钠盐为氯化钠、碳酸钠或硫酸钠。
4.如权利1所述的一种由固体糖合成三维石墨烯的方法，其特征在于所述的固体糖和无机钠盐的摩尔比为1:0.1-20。
5.如权利要求1所述的一种由固体糖合成三维石墨烯的方法，其特征在于，所述的惰性气氛为氩气或氮气。
6.如权利要求1所述的一种由固体糖合成三维石墨烯的方法，其特征在于，所述的还原气氛为氢气。
7.如权利要求1所述的一种由固体糖合成三维石墨烯的方法，其特征在于，所述的混合包括机械研磨混合或溶液混合。
8.如权利要求7所述的一种由固体糖合成三维石墨烯的方法，其特征在于，将固体糖和无机钠盐分别制成溶液混合后，去除溶剂得到固体混合物。
9.如权利要求1所述的一种由固体糖合成三维石墨烯的方法，其特征在于，所述的反应温度为600-1500℃，反应时间为0.1-100min。
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