CN112265983A - 木质素石墨烯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
木质素石墨烯及其制备方法，木质素经球磨机球磨后，将干燥的木质素粉末用模具压制成小薄片；将该木质素薄片置于电脑程序控制XY的工作台上，用飞秒激光器在常温常压下进行激光辐射，最终得到石墨烯粉末。本发明方法原料廉价易得，合成条件温和、高效，操作简单，得到的石墨烯导电性好。
Description
技术领域
本发明属于石墨烯制备的技术领域，具体涉及木质素石墨烯及其制备方法。
背景技术
在过去的几十年中，碳材料由于其高热稳定性和机械性能得到了广泛的研究。石墨烯是sp2杂化的碳纳米颗粒，与碳纳米管、富勒烯、纳米金刚石等互为同素异形体。石墨烯具有优良的导电性能、热传导性能、力学性能、磁性能，在储能材料、传感器、复合材料、生物医药等领域具有广泛的应用前景。目前石墨烯的制备方法主要有氧化石墨烯还原、化学气相沉积（CVD）、机械剥离、外延生长等几种。然而这些方法有的成本较高、有的可控性低、产品质量低，有的由于使用危险化学品，还给环境带来污染。因此，开发一种操作简单、安全有效、绿色环保的石墨烯制备方法具有重要意义。
木质素是天然木质纤维植物细胞壁的三大主要成分之一，其含量约占在地球上有机碳总量的30%，是唯一由芳族部分组成的可再生原料。除了丰富的自然资源，木质素是制浆造纸工业的主要副产物。在制浆造纸工业中，每年约产生7000万吨木质素，其中只有约2%通过燃烧回收热能、替代化石材料。木质素的有效利用成为可持续资源利用研究的重要组成部分。本专利中将木质素转化为石墨烯，生物质高效高质利用具有重要影响，得到的石墨烯在微型超级电容器、传感器、废水处理、功能材料等方面具有潜在应用。
发明内容
解决的技术问题：本发明克服现有技术中的石墨烯制备成本较高、可控性低、产品质量低、对环境不利的不足，提供一种木质素石墨烯及其制备方法。本发明方法中原料廉价易得，合成条件温和、高效，操作简单，得到的石墨烯导电性好。
技术方案：木质素制备石墨烯的方法，由下述步骤组成：（1）将木质素放入球磨机球磨至50-500nm，球磨结束后干燥箱105℃干燥1~2h；（2）将步骤（1）中干燥的木质素粉末置于模具中压制，压力5-10MPa；（3）将步骤（2）中木质素薄片放置于电脑程序控制XY的工作台上，用飞秒激光器在常温常压下进行激光辐射，辐射后的原料转变为石墨烯；其中飞秒激光器的激光波长为1030nm，激光频率为120kHz，脉冲时间150fs。
上述步骤（1）中的木质素为针叶木质素，阔叶木质素，碱性木质素、木质素磺酸钠中的至少一种。
上述步骤（3）中使用的激光功率为100mW~1000mW。
上述步骤（3）中使用的工作台运行速度为1mm/s~100mm/s。
上述步骤（3）中使用的激光辐射时间为1~60min。
上述方法制备得到的木质素石墨烯。
有益效果：本发明采用木质素为原料，经高压均质机纳米化后，干燥的纳米木质素经激光辐射后得到石墨烯，具有原料廉价易得，合成条件温和、高效，操作简单等优点。得到的纳米金刚石粒度在100nm以内，在微型超级电容器、传感器、废水处理等领域具有较高的应用价值。
附图说明
图1 是实施例1中石墨烯的拉曼光谱图。其中1580cm-1处G峰为石墨烯中碳的sp2键特征峰，1370cm-1处D峰为碳sp3杂化峰，是由于石墨烯分子缺陷产生。对比两个特征峰，G峰明显高于D峰，表明石墨烯质量较好。
图2是实施例1中石墨烯的透射电镜图。由图可看出明显的石墨烯晶格条纹，经计算晶面间距为0.34nm。
具体实施方式
本发明的原理在于将木质素球磨后经飞秒激光辐射转化为石墨烯，该石墨烯具有较好的导电性能。下面结合具体实施例进一步阐述本发明。应注意的是，下面的各实施例是示例性的，并且不期望限制本发明的范围。在阅读了本发明的内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的保护范围。
常温常压：25℃，101KPa。
实施例1
将松木木质素放入球磨机球磨18h，设定转速360r/min，每工作1h休息0.5h，球磨结束后干燥箱105℃干燥1~2h。取干燥的木质素粉末0.2g置于模具中，在10MPa压力被压制薄片，再将该木质素薄片置于电脑程序控制XY的工作台上，用飞秒激光器在常温常压下进行激光辐射，其中飞秒激光器的激光波长为1030nm，激光频率为120kHz，脉冲时间150fs，辐射条件为激光功率800mW，辐射时间10min，工作台运行速度5mm/s，辐射后得到石墨烯，经四探针测试仪测试其方块电阻为5Ω/□。
拉曼光谱和透射电镜分析石墨烯的微观结构，表明该方法有效的制备了高质量的石墨烯。
以下的实施例所得的石墨烯的拉曼光谱和透射电镜图与实施例1的基本相同，因此以下实施例中不再一一说明。
实施例2
将松木木质素放入球磨机球磨18h，设定转速360r/min，每工作1h休息0.5h，球磨结束后干燥箱105℃干燥1~2h。取干燥的木质素粉末0.2g置于模具中，在10MPa压力被压制薄片，再将该木质素薄片置于电脑程序控制XY的工作台上，用飞秒激光器在常温常压下进行激光辐射，其中飞秒激光器的激光波长为1030nm，激光频率为120kHz，脉冲时间150fs，辐射条件为激光功率400mW，辐射时间40min，工作台运行速度80mm/s，辐射后得到石墨烯，经四探针测试仪测试其方块电阻为579Ω/□。
实施例3
将桉木木质素放入球磨机球磨12h，设定转速360r/min，每工作1h休息0.5h，球磨结束后干燥箱105℃干燥1~2h。取干燥的木质素粉末0.2g置于模具中，在10MPa压力被压制薄片，再将该木质素薄片置于电脑程序控制XY的工作台上，用飞秒激光器在常温常压下进行激光辐射，其中飞秒激光器的激光波长为1030nm，激光频率为120kHz，脉冲时间150fs，辐射条件为激光功率100mW，辐射时间30min，工作台运行速度30mm/s，辐射后得到石墨烯，经四探针测试仪测试其方块电阻为106Ω/□。
实施例4
将桉木木质素放入球磨机球磨10h，设定转速360r/min，每工作1h休息0.5h，球磨结束后干燥箱105℃干燥1~2h。取干燥的木质素粉末0.2g置于模具中，在10MPa压力被压制薄片，再将该木质素薄片置于电脑程序控制XY的工作台上，用飞秒激光器在常温常压下进行激光辐射，其中飞秒激光器的激光波长为1030nm，激光频率为120kHz，脉冲时间150fs，辐射条件为激光功率300mW，辐射时间20min，工作台运行速度10mm/s，辐射后得到石墨烯，经四探针测试仪测试其方块电阻为37Ω/□。
实施例5
将木质素磺酸钠放入球磨机球磨6h，设定转速360r/min，每工作1h休息0.5h，球磨结束后干燥箱105℃干燥1~2h。取干燥的木质素粉末0.2g置于模具中，在10MPa压力被压制薄片，再将该木质素薄片置于电脑程序控制XY的工作台上，用飞秒激光器在常温常压下进行激光辐射，其中飞秒激光器的激光波长为1030nm，激光频率为120kHz，脉冲时间150fs，辐射条件为激光功率750mW，辐射时间60min，工作台运行速度3mm/s，辐射后得到石墨烯，经四探针测试仪测试其方块电阻为863Ω/□。
Claims (6)
1.木质素制备石墨烯的方法，其特征在于由下述步骤组成：
（1）将木质素放入球磨机球磨至50-500nm，球磨结束后干燥箱105℃干燥1~2h；
（2）将步骤（1）中干燥的木质素粉末置于模具中压制，压力5-10MPa；
（3）将步骤（2）中木质素薄片放置于电脑程序控制XY的工作台上，用飞秒激光器在常温常压下进行激光辐射，辐射后的原料转变为石墨烯；其中飞秒激光器的激光波长为1030nm，激光频率为120kHz，脉冲时间150fs。
2.根据权利要求1所述木质素制备石墨烯的方法，其特征在于所述步骤（1）中的木质素为针叶木质素，阔叶木质素，碱性木质素、木质素磺酸钠中的至少一种。
3.根据权利要求1所述木质素制备石墨烯的方法，其特征在于所述步骤（3）中使用的激光功率为100mW~1000mW。
4.根据权利要求1所述木质素制备石墨烯的方法，其特征在于所述步骤（3）中使用的工作台运行速度为1mm/s~100mm/s。
5.根据权利要求1所述木质素制备石墨烯的方法，其特征在于所述步骤（3）中使用的激光辐射时间为1~60min。
6.权利要求1~5任一所述方法制备得到的木质素石墨烯。
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