CN112678809A - 一种催化生物质合成具有分级结构石墨烯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制备石墨烯的技术领域，具体是一种催化生物质合成具有分级结构石墨烯的方法，具体步骤如下：S1、原料；S2、催化；S3、高温活化；S4、洗涤；与现有技术相比，通过小分子有机化合物类生物质资源可有效替代化石资源化学品，具有显著的社会、经济和环境意义，相对于传统的石墨烯制备工艺复杂、设备成本高、产能低类缺点严重制约了石墨烯产业的快速发展，本发明以清洁廉价的可再生生物质资源为原料催化制备石墨烯，且催化剂廉价易得，可部分替代传统技术利用的化石资源，显著增加石墨烯产业的可持续性。
Description
技术领域
本发明涉及制备石墨烯的技术领域，具体是一种催化生物质合成具有分级结构石墨烯的方法。
背景技术
生物质作为唯一的可再生碳原料，通过热化学或生物化学分解，可产生很多有价值的有机化合物，如葡萄糖、木糖、苯丙烷单体及二聚体、有机酸、醛、醇、糠醛、乙酰丙酸、木糖醇、甲壳素、纤维素、木质素等，这些小分子有机化合物可有效替代化石资源化学品，具有显著的社会、经济和环境意义，己成为许多国家的重要发展战略和科学研究热点。
石墨烯是一种以sp2杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维结构的新材料。石墨烯自被发现就成为了碳纳米家族的明星。结构决定性质,其特殊结构赋予其独特的光学、电学、力学、热学性质。石墨烯在能源、电子信息、功能材料、航天航空、生物医药、节能环保等诸多领域的深入研究在逐步展开。目前，石墨烯被广泛的应用到各领域中，使得国内外石墨烯的需求量呈现逐年快速增长的趋势。
目前石墨烯制备工艺复杂、设备成本高、产能低等缺点严重制约了石墨烯产业的快速发展。以清洁廉价的可再生生物质资源为原料催化制备石墨烯，可部分替代传统技术利用的化石资源，显著增加石墨烯产业的可持续性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种催化生物质合成具有分级结构石墨烯的方法。
一种催化生物质合成具有分级结构石墨烯的方法，具体步骤如下：
S1、原料：准备原料，放入固定床中进行高温热解反应，得到炭化料；
S2、催化：将原料或将步骤S1中的炭化料与碱金属或碱土金属的氧化物或氢氧化物或盐类催化剂混合，原料或炭化料与催化剂质量比为1:0.2-1:10；
S3、高温活化：将步骤S2中获得的混合料放入固定床中进行高温活化，制备得到具有分级结构石墨烯；
S4、洗涤：将步骤S3中获得的石墨烯用0.2-4mol/L HCl或HNO3或HF水溶液洗涤，然后再用蒸馏水洗涤至中性，把洗好的石墨烯放入鼓风干燥箱于80℃-120℃干燥12h。
所述的步骤S1中原料为：葡萄糖、蔗糖、淀粉、半纤维素、纤维素、木质素、琼脂、甲壳素类生物质资源中的一种或任意几种混合。
所述的步骤S1中热解条件为：惰性气氛为N2、Ar或He类一种或几种混合，热解温度为400-1200℃，升温速率为1-50℃/min，热解时间为0-10h。
所述的步骤S2中催化剂为K2O、KCl、KBr、KOH、Na2O、NaCl、NaBr、NaOH、Ca(NO3)2、Mg(NO3)2、CaO、MgO、Ca(OH)2、Mg(OH)2、CaCO3、MgCO3、CaHCO3、MgHCO3、CaCl2、MgCl2类中的一种或几种混合。
所述的步骤S2的原料或炭化料与催化剂的比例为1:0.2-1:10，该比例为质量比。
所述的步骤S3中活化条件为：惰性气氛为N2、Ar或He类一种或几种混合，活化温度为700-1800℃，升温速率为1-50℃/min，活化处理时间为0-10h。
所述的步骤S5洗涤的洗涤液为HCl、HNO3、HF水溶液中一种或几种混合，摩尔浓度为0.2-4mol/L。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，通过小分子有机化合物类生物质资源可有效替代化石资源化学品，具有显著的社会、经济和环境意义，相对于传统的石墨烯制备工艺复杂、设备成本高、产能低类缺点严重制约了石墨烯产业的快速发展，本发明以清洁廉价的可再生生物质资源为原料催化制备石墨烯，且催化剂廉价易得，可部分替代传统技术利用的化石资源，显著增加石墨烯产业的可持续性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的实施例一得到的产物粉末的TEM图；
图2为本发明的实施例二得到的产物粉末的TEM图；
图3为本发明的实施例三得到的产物粉末的TEM图；
图4为本发明的制备的三个实施例的石墨烯材料N2吸附-脱附等温线图；
图5为本发明的制备的三个实施例的石墨烯材料孔径分布。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。
实施例一：
如图1、图4、图5所示，一种催化木质素合成具有分级结构石墨烯的方法，具体步骤如下：
S1、原料：准备木质素，放入固定床中进行高温热解反应，得到炭化料；
S2、催化：将木质素与Ca(NO3)2混合均匀，木质素与Ca(NO3)2的质量比为1:2；
S3、高温活化：将均匀混合物放入高温反应炉进行活化反应，反应完成后取出并放入干燥器冷却至室温，活化时的反应参数为：惰性气体N2保护，惰性气体的通入速率为0.01L/min，活化温度为1200℃，升温速率为3℃/min，活化时间为4h；
S4、洗涤：将制得的石墨烯用4mol/L HCl洗涤，然后再用蒸馏水洗涤至中性，把洗好的石墨烯放入鼓风干燥箱于105℃干燥12h后，制得绝干生物质基石墨烯。
由图1可观察到大量石墨烯结构，表明制备的材料为石墨烯材料，由图4和图5可知，制备的材料同时含有微孔、介孔和大孔，表明制备的石墨烯具有分级多孔结构。
与现有技术相比，通过小分子有机化合物类生物质资源可有效替代化石资源化学品，具有显著的社会、经济和环境意义，相对于传统的石墨烯制备工艺复杂、设备成本高、产能低类缺点严重制约了石墨烯产业的快速发展，本发明以清洁廉价的可再生生物质资源为原料催化制备石墨烯，且催化剂廉价易得，可部分替代传统技术利用的化石资源，显著增加石墨烯产业的可持续性。
实施例二：
如图2、图4、图5所示，一种催化甲壳素合成具有分级结构石墨烯的方法，具体步骤如下：
S1、原料：将甲壳素放入高温固定床进行热解反应，反应完成后取出并放入干燥器冷却至室温，热解时的反应参数为：惰性气体N2保护，惰性气体的通入速率为0.4L/min，热解温度为900℃，升温速率为5℃/min，热解时间为1h；
S2、催化：将炭化料与Mg(OH)2充分混合，炭化料与Ca(OH)2的质量比为1:1.5；
S3、高温活化：将均匀混合物放入高温反应炉中进行活化处理，反应完成后取出并放入干燥器冷却至室温，活化时的反应参数为：惰性气体N2保护，惰性气体的通入速率为0.01L/min，活化温度为1050℃，升温速率为1℃/min，活化处理时间为4h；
S4、洗涤：将制得的石墨烯用3mol/L HCl溶液洗涤，然后再用蒸馏水洗涤至中性，把洗好的石墨烯放入鼓风干燥箱于105℃干燥12h后，制得绝干生物质基石墨烯。
由图2可观察到大量石墨烯结构，表明制备的材料为石墨烯材料，由图4和图5可知，制备的材料同时含有微孔、介孔和大孔，表明制备的石墨烯具有分级多孔结构。
与现有技术相比，通过小分子有机化合物类生物质资源可有效替代化石资源化学品，具有显著的社会、经济和环境意义，相对于传统的石墨烯制备工艺复杂、设备成本高、产能低类缺点严重制约了石墨烯产业的快速发展，本发明以清洁廉价的可再生生物质资源为原料催化制备石墨烯，且催化剂廉价易得，可部分替代传统技术利用的化石资源，显著增加石墨烯产业的可持续性。
实施例三：
如图3、图4、图5所示，一种催化蔗糖合成具有分级结构石墨烯的方法，具体步骤如下：
S1、原料：准备蔗糖，放入固定床中进行高温热解反应，得到炭化料；
S2、催化：将蔗糖与CaO混合均匀，蔗糖与CaO的质量比为1:4；
S3、高温活化：将均匀混合物放入高温反应炉进行活化反应，反应完成后取出并放入干燥器冷却至室温，活化时的反应参数为：惰性气体N2保护，惰性气体的通入速率为0.05L/min，活化温度为1100℃，升温速率为2℃/min，活化时间为3h；
S4、洗涤：将制得的石墨烯用3mol/L HCl洗涤，然后再用蒸馏水洗涤至中性，把洗好的石墨烯放入鼓风干燥箱于105℃干燥12h后，制得绝干生物质基石墨烯。
由图3可观察到大量石墨烯结构，表明制备的材料为石墨烯材料，由图4和图5可知，制备的材料同时含有微孔、介孔和大孔，表明制备的石墨烯具有分级多孔结构。
与现有技术相比，通过小分子有机化合物类生物质资源可有效替代化石资源化学品，具有显著的社会、经济和环境意义，相对于传统的石墨烯制备工艺复杂、设备成本高、产能低类缺点严重制约了石墨烯产业的快速发展，本发明以清洁廉价的可再生生物质资源为原料催化制备石墨烯，且催化剂廉价易得，可部分替代传统技术利用的化石资源，显著增加石墨烯产业的可持续性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种催化生物质合成具有分级结构石墨烯的方法，其特征在于：具体步骤如下：
S1、原料：准备原料，放入固定床中进行高温热解反应，得到炭化料；
S2、催化：将原料或将步骤S1中的炭化料与碱金属或碱土金属的氧化物或氢氧化物或盐类催化剂混合，原料或炭化料与催化剂质量比为1:0.2-1:10；
S3、高温活化：将步骤S2中获得的混合料放入固定床中进行高温活化，制备得到具有分级结构石墨烯；
S4、洗涤：将步骤S3中获得的石墨烯用0.2-4mol/L HCl或HNO3或HF水溶液洗涤，然后再用蒸馏水洗涤至中性，把洗好的石墨烯放入鼓风干燥箱于80℃-120℃干燥12h。
2.根据权利要求1所述的一种催化生物质合成具有分级结构石墨烯的方法，其特征在于：所述的步骤S1中原料为：葡萄糖、蔗糖、淀粉、半纤维素、纤维素、木质素、琼脂、甲壳素类生物质资源中的一种或任意几种混合。
3.根据权利要求1所述的一种催化生物质合成具有分级结构石墨烯的方法，其特征在于：所述的步骤S1中热解条件为：惰性气氛为N2、Ar或He类一种或几种混合，热解温度为400-1200℃，升温速率为1-50℃/min，热解时间为0-10h。
4.根据权利要求1所述的一种催化生物质合成具有分级结构石墨烯的方法，其特征在于：所述的步骤S2中催化剂为K2O、KCl、KBr、KOH、Na2O、NaCl、NaBr、NaOH、Ca(NO3)2、Mg(NO3)2、CaO、MgO、Ca(OH)2、Mg(OH)2、CaCO3、MgCO3、CaHCO3、MgHCO3、CaCl2、MgCl2类中的一种或几种混合。
5.根据权利要求1所述的一种催化生物质合成具有分级结构石墨烯的方法，其特征在于：所述的步骤S2的原料或炭化料与催化剂的比例为1:0.2-1:10，该比例为质量比。
6.根据权利要求1所述的一种催化生物质合成具有分级结构石墨烯的方法，其特征在于：所述的步骤S3中活化条件为：惰性气氛为N2、Ar或He类一种或几种混合，活化温度为700-1800℃，升温速率为1-50℃/min，活化处理时间为0-10h。
7.根据权利要求1所述的一种催化生物质合成具有分级结构石墨烯的方法，其特征在于：所述的步骤S5洗涤的洗涤液为HCl、HNO3、HF水溶液中一种或几种混合，摩尔浓度为0.2-4mol/L。
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