一种基于花生衣制备石墨烯材料的方法 |
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| 申请号 | CN201710820151.5 | 申请日 | 2017-09-13 | 公开(公告)号 | CN107473206A | 公开(公告)日 | 2017-12-15 |
| 申请人 | 陕西科技大学; | 发明人 | 黄剑锋; 李倩颖; 李嘉胤; 曹丽云; 康倩; 仵婉晨; 何元元; 贺菊菊; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于花生衣制备 石墨 烯材料的方法，包括：1）对花生衣进行预处理，去除杂质，干燥备用；2）将预处理的花生衣浸泡在足量的强酸液中，充分浸泡后，进行 微波 水 热反应，反应 温度 为160～200℃，反应时间1～4h，反应完成后自然冷却到室温，离心，取固态产物洗涤数次， 冷冻干燥 ；3）将前述步骤产物与强 碱 以1：(1.5～3)的 质量 比混合均匀，在氩气保护下，在900～1600℃下锻烧1～4h，冷却后洗涤，烘干，得到 石墨烯 材料。本发明以花生衣作为原料，在水热—— 碳 化条件下制备石墨烯材料。利用本方法制备石墨烯材料，可以减轻对环境的污染，变废为宝，降低生产成本。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于花生衣制备石墨烯材料的方法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种基于花生衣制备石墨烯材料的方法技术领域背景技术[0002] 随着可持续发展的进行，为了以电代替石油，缓解矿物能源压力，降低城市污染，发展电动汽车已成为当务之急。锂离子电池具有能量密度高、无记忆效应、平均输出电压高等一系列优点，在移动通信、信息技术、消费电子、电动汽车、航空航天和国防科技等领域中具有重要和广阔的应用前景。目前为止，致力于锂离子电池负极材料的研究很多，最常用的负极材料是石墨，石墨具有高导电性、高可逆比容量、有良好的层状结构，适合锂的嵌入/脱嵌,能够形成锂-石墨层间化合物Li-GIC，其充放电比容量可达300 mAh/g以上，充放电效率在90%以上，不可逆容量低于50 mAh/g，但是石墨的理论容量不高，与有机溶剂相容能力差，所以目前许多研究工作者都致力于石墨的改性研究。 [0003] 自从Geim发现石墨烯以来，石墨烯就被认为能在锂离子电池中取代石墨，成为理想的锂离子电池负极材料。石墨烯具有单层原子厚度的二维层状结构,其比表面达到了2630m2/g，它具有良好的电导率、突出的电子性能、显著的机械性能以及较宽的电化学窗口等优点。其层间距为0.37 nm，这有利于材料的脱嵌锂性能。 [0004] 基于绿色经济，节能环保的经济理念。生物质（农林业生产过程中的秸秆、树木等木质纤维素，农业废弃物等）能源作为一种重要的可再生资源，具有较为广泛的用途和良好的应用价值。以廉价的生物质为原料制备电化学性能良好的电极材料，降低电池成本，提高电池的性能，具有很好的应用前景。 [0005] 目前研究者们已经发现，玉米棒[Liu P, Li Y, Hu Y S, et al. A waste biomass derived hard carbon as high-performance anode material for sodium-ion batteries[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2016, 4(34). ]、冬青叶[Peng Z, Liu T, Yuan X, et al. Enhanced Performance by Enlarged Nano-pores of Holly Leaf-derived Lamellar Carbon for Sodium-ion Battery Anode[J]. Sci Rep, 2016, 6:26246. ]、香蕉皮[Lotfabad E M, Ding J, Cui K, et al. High-Density Sodium and Lithium Ion Battery Anodes from Banana Peels[J]. Acs Nano, 2014, 8(7):7115- 29. ] 等都可制备适宜锂离子嵌入脱出的碳负极材料。 发明内容[0006] 为了克服现有技术的不足，本发明的目的是利用花生衣作为生物质碳的原料制备一种具有良好电导率、突出电子性能、显著机械性能以及较宽的电化学窗口等优点的石墨烯材料的方法。 [0007] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于花生衣制备石墨烯材料的方法，包括以下步骤： 步骤一：将生物质预制体花生衣超声洗涤多次，清除表面杂质，再进行冷冻干燥得到物质A； 步骤二：用18.4mol/L的浓硫酸配置摩尔浓度为2～10mol/L的硫酸溶液B； 步骤三：取0.5～3g花生衣放入10～60ml溶液B中，浸泡后转移入反应釜并密封，设置微波水热反应温度为160～200℃，反应1～4h，自然冷却到室温,得到前驱物C； 步骤四：将前驱物C离心，将固态产物洗涤数次后冷冻干燥，得到物质D； 步骤五：将D和KOH以1：(1.5～3)的质量比混合均匀，在氩气保护下，在900～1600℃下锻烧1～4h后洗涤、烘干得到石墨烯材料。 [0008] 进一步地，步骤一物质A的厚度都小于0.5mm。 [0009] 进一步地，步骤一和四中冷冻干燥的温度均为﹣20～20℃，时间为12～36h。 [0010] 进一步地，步骤二中所配硫酸的摩尔浓度为2～10mol/L。 [0011] 进一步地，步骤三中浸泡时间为10～30min。 [0012] 进一步地，步骤三中微波水热的升温速率为5～10℃/min。 [0013] 进一步地，步骤四中是用去离子水和乙醇洗涤多次进一步地，步骤五中氩气的流速为0.1～1.0sccm/min，以1～10℃/min`的升温速率自室温升温至900～1600℃。 [0014] 进一步地，步骤五中锻烧是在管式锻烧炉中进行的。 [0015] 进一步地，步骤五中洗涤时具体采用硫酸和水，所述步骤五中干燥是在110℃下真空烘干12～36h。 [0016] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明是以废弃物再利用为总理念，以花生衣作为原料，在水热——碳化条件下制备石墨烯材料，成为理想的锂离子电池负极材料。制备得到的石墨烯具有单层原子厚度的二维层状结构，具有良好的电导率、突出的电子性能、显著的机械性能以及较宽的电化学窗口等优点，有利于材料的脱嵌锂性能。利用本方法制备石墨烯材料，可以减轻对环境的污染，变废为宝，绿色可回收循环使用，降低生产成本。 附图说明 [0017] 图1是本发明实施例1制备的石墨烯材料的SEM照片；图2是本发明实施例1制备的石墨烯材料的拉曼图。 具体实施方式[0018] 下面结合实施例对本发明作进一步阐述，但是本发明不局限于以下实施例。 [0019] 实施例1步骤一：将生物质预制体花生衣超声洗涤多次，清除表面杂质，再进行冷冻干燥得到物质A； 步骤二：用18.4mol/L的浓硫酸配置摩尔浓度为6mol/L的硫酸溶液B； 步骤三：取1.4g花生衣放入30ml溶液B中，浸泡后转移入反应釜并密封，设置微波水热反应温度为180℃，反应2h，自然冷却到室温，得到前驱物C； 步骤四：将前驱物C离心数次后冷冻干燥，得到物质D； 步骤五：将D和KOH以1：1.5的质量比混合均匀，在氩气保护下,在1100℃下锻烧2h后洗涤、烘干得到石墨烯材料。 [0020] 图1为本实施例制备的石墨烯材料的SEM照片，照片显示，本发明制备得到的石墨烯具有单层原子厚度的二维层状结构，这种结构的石墨烯具有良好的电导率、突出的电子性能、显著的机械性能以及较宽的电化学窗口等优点，有利于材料的脱嵌锂性能。 [0021] 图2为本实施例制备的多孔微米结构的钠离子电池碳电极材料的拉曼光谱测试结果。测试结果显示，在1350cm-1、1580cm-1以及2700cm-1附近出现了三个显著的特征峰，它们分别为D峰、G峰以及Gˊ峰。 G峰是石墨烯的主要特征峰，是由sp2碳原子的面内振动引起的，它出现在1580cm-1附近，该峰能有效反映石墨烯的层数；D峰通常被认为是石墨烯的无序振动峰，该峰出现的具体位置与激光波长有关，它是由于晶格振动离开布里渊区中心引起的，用于表征石墨烯样品中的结构缺陷或边缘；Gˊ峰，也被称为2D峰，是双声子共振二阶拉曼峰，用于表征石墨烯样品中碳原子的层间堆垛方式，它的出峰频率也受激光波长影响。 [0022] 实施例2步骤一：将生物质预制体花生衣超声洗涤多次，清除表面杂质，再进行冷冻干燥得到物质A； 步骤二：用18.4mol/L的浓硫酸配置摩尔浓度为4mol/L的硫酸溶液B； 步骤三：取2g花生衣放入40ml溶液B中，浸泡后转移入反应釜并密封,设置微波水热反应温度为160℃，反应3h，自然冷却到室温,得到前驱物C； 步骤四：将前驱物C离心数次后冷冻干燥，得到物质D； 步骤五：将D和KOH以1：2的质量比混合均匀，在氩气保护下，在900℃下锻烧2h后洗涤、烘干得到石墨烯材料。 [0023] 实施例3步骤一：将生物质预制体花生衣超声洗涤多次，清除表面杂质，再进行冷冻干燥得到物质A； 步骤二：用18.4mol/L的浓硫酸配置摩尔浓度为8mol/L的硫酸溶液B； 步骤三：取2g花生衣放入45ml溶液B中，浸泡后转移入反应釜并密封,设置微波水热反应温度为180℃,反应3h，自然冷却到室温，得到前驱物C； 步骤四：将前驱物C离心数次后冷冻干燥，得到物质D； 步骤五：将D和KOH以1：2的质量比混合均匀，在氩气保护下,在1400℃下锻烧1h后洗涤、烘干得到石墨烯材料。 [0024] 实施例4步骤一：将生物质预制体花生衣超声洗涤多次，清除表面杂质，再进行冷冻干燥得到物质A； 步骤二：用18.4mol/L的浓硫酸配置摩尔浓度为2mol/L的硫酸溶液B； 步骤三：取1g花生衣放入40ml溶液B中，浸泡后转移入反应釜并密封,设置微波水热反应温度为200℃，反应1h，自然冷却到室温，得到前驱物C； 步骤四：将前驱物C离心数次后冷冻干燥，得到物质D； 步骤五：将D和KOH以1：3的质量比混合均匀，在氩气保护下，在1600℃下锻烧1h后洗涤、烘干得到石墨烯材料。 [0025] 实施例5步骤一：将生物质预制体花生衣超声洗涤多次，清除表面杂质，再进行冷冻干燥得到物质A； 步骤二：用18.4mol/L的浓硫酸配置摩尔浓度为10mol/L的硫酸溶液B； 步骤三：取1g花生衣放入30ml溶液B中，浸泡后转移入反应釜并密封,设置微波水热反应温度为160℃，反应2h，自然冷却到室温，得到前驱物C； 步骤四：将前驱物C离心数次后冷冻干燥，得到物质D； 步骤五：将D和KOH以1：2的质量比混合均匀，在氩气保护下，在1000℃下锻烧2h后洗涤、烘干得到石墨烯材料。 [0026] 实施例6步骤一：将生物质预制体花生衣超声洗涤多次，清除表面杂质，再进行冷冻干燥，冷冻干燥温度20℃，冷冻干燥时间36h，得到物质A； 步骤二：用18.4mol/L的浓硫酸配置摩尔浓度为2mol/L的硫酸溶液B； 步骤三：取2g花生衣放入50ml溶液B中，浸泡30min后，转移入反应釜并密封，设置微波水热反应温度为170℃，升温速率5℃/min，反应4h，自然冷却到室温，得到前驱物C； 步骤四：将前驱物C离心，用去离子水域乙醇交替洗涤数次后，冷冻干燥，冷冻干燥温度 20℃，冷冻干燥时间36h，得到物质D； 步骤五：将D和KOH以1：1.5的质量比混合均匀，在氩气保护下，在1200℃下锻烧4h，升温速率1℃/min，氩气流速0.1sccm/min，待煅烧产物冷却后，先用硫酸洗涤产物，再用去离子水充分洗涤，110℃真空干燥12h，得到石墨烯材料。 [0027] 实施例7步骤一：将生物质预制体花生衣超声洗涤多次，清除表面杂质，再进行冷冻干燥，冷冻干燥温度-20℃，冷冻干燥时间12h，得到物质A； 步骤二：用18.4mol/L的浓硫酸配置摩尔浓度为5mol/L的硫酸溶液B； 步骤三：取3g花生衣放入60ml溶液B中，浸泡10min后，转移入反应釜并密封，设置微波水热反应温度为200℃，升温速率10℃/min，反应3h，自然冷却到室温，得到前驱物C； 步骤四：将前驱物C离心，用去离子水与乙醇交替洗涤数次后冷冻干燥，冷冻干燥温度- 20℃，冷冻干燥时间12h，得到物质D； 步骤五：将D和KOH以1：2的质量比混合均匀，在氩气保护下，在1400℃下锻烧1h，升温速率10℃/min，氩气流速1sccm/min，产物冷却后，先用硫酸洗涤产物，再用去离子水充分洗涤，110℃真空干燥36h，得到石墨烯材料。 |
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