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一种多孔竹炭石墨化的方法与流程

来源：花匠小妙招时间：2024-12-17 05:28

本发明涉及石墨烯和氧化石墨烯制备领域，尤其涉及一种多孔竹炭石墨化的方法。

背景技术：

竹炭作为生物质炭的一种，具有性质稳定、孔隙结构丰富、比表面积大和吸附能力强等优点。在应用竹炭处理污水时，由于竹炭能够有效的控制并除去某些水体污染物，另外竹炭本身再生能力强，价格优廉，消耗少，投入成本低，操作简单，所以竹炭在净化水质，保护环境方面作用尤为突出。尤其是粉末状炭对水中酚类化合物有良好的去除作用，竹炭的比表面积越大，饱和吸附量也就越大。{韩忠保，吴雨杭，马晓琳，白雪，刘丽艳，于湛，竹炭吸附去除水中有机污染物的研究进展，广州化工，2015年8月，第43卷第16期，8-10.}。竹炭对溶液中cd(ii)的吸附行为，竹炭对镉离子的吸附是放热过程,在初始浓度为15mg·l-1、最佳酸度及287k条件下,未经处理的竹炭饱和吸附量达到11.0mg·g-1,增加竹碳的用量,镉离子吸附率可达99%以上。（刘创，赵松林，许坚，科学技术与工程，2009年6月，第9卷第11期3009-3012.）。

为了解决石墨矿开采所限，开展生物质多孔碳的石墨化研究，2012年研究者首次报道了用香蕉皮在n2气氛条件下，在800℃，制备的多孔碳，其比表面积为1650m2/g，拉曼光谱显示了d和g峰，[journalofpowersources209(2012)152–157]。2016年研究者报道用大豆根制备的多孔碳比表积为2143m2/g，拉曼光谱显示了d和g峰清晰，d/g为0.84～0.91；[acsappl.mater.interfaces2016,8,33626−33634]。同年，研究者用壳聚糖碳化组装了石墨烯/au光催化剂全分解水，获得产氢率为1.2molh2g-1h-1，[naturecommunications|2016,7:11819|doi:10.1038/ncomms11819]。

不同的生物质其结构不同，石墨化过程会有差别，形成石墨烯和氧化石墨烯的条件值得探讨。随着大功率便携设备及新能源汽车的发展，对储能材料及器件提出了更高的要求，如高可逆容量、大电流放电能力、快速充放电能力，显然石墨化碳材料（理论容量372mah/g，实际容量300～350mah/g）不能满足这些要求，因此,其它材料，如石墨烯、纳米管、类石墨烯、生物炭等。但是，石墨烯、纳米管、类石墨烯等相对生物炭成本较高，且原料大多依赖化石资源，造成较大环境污染，还不具持续性。于是，研究开发石墨化多孔竹炭储能材料及器件变得迫切起来。尤其是多孔竹炭具有质量轻、孔结构发达、比表面积大、导电性能好、耐高温、耐腐蚀等优异性能，在储能材料及器件中有着极好的应用前景。

现有技术存在的主要问题是，使用高锰酸钾在浓硫酸和浓硝酸氧化石墨，安全性低，有爆炸的可能性，排放的污水处理花废昂贵。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种成本低，安全环保，制备效率高的利用资源丰富的多孔竹炭石墨化的方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种多孔竹炭石墨化方法，是以多孔竹炭为原料，对多孔竹炭依次进行干燥过筛处理、石墨化剂混合处理、升温处理、降温处理、洗涤处理和烘干处理，最终得到多孔石墨烯。

优选地，一种多孔竹炭石墨化方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，干燥过筛处理，将多孔竹炭干燥，并粉碎过50-100目筛；

步骤二，石墨化剂混合处理，将步骤一所得多孔竹炭粉，在n2气氛条件下，与石墨化剂按质量比1：1～5混合，置于石墨化炉中；

步骤三，升温处理，将步骤二中的石墨化炉升温到900～1100℃，保温1～2小时；

步骤四，降温处理，将步骤三中的石墨化炉缓慢降至25～35℃，获得竹炭石墨化初级产物；

步骤五，洗涤处理，将步骤四所得竹炭石墨化初级产物取出，用5～15%稀盐酸洗涤若干次，再用去离子水洗涤若干次，获得竹炭石墨化中性产物；

步骤六，烘干处理，将步骤五获得的竹炭石墨化中性产物置于80-100℃烘干，获得多孔竹炭石墨烯。

优选地，所述石墨化剂为k2co3、na2co3、硝酸铝和硝酸锌中的任意一种或多种混合而成。

优选地，所述升温处理包括第一升温阶段、第二升温阶段和保温阶段，所述第一升温阶段按0.5～1.0℃/分钟的速度升温至500～900℃，所述第二升温阶段按3.0～5.0℃/分钟的速度升温至900～1100℃。

优选地，所述步骤降温处理按照3～5℃/分钟的速度降温至25～35℃。

优选地，所述多孔竹炭石墨烯的比表面积为1524～1905m2/g。

优选地，所述多孔竹炭石墨烯具有清晰的拉曼光谱d﹑g和2d峰，所述d/g为0.38～0.62，所述g/2d为1.208～1.621。

本发明还保护根据上述方法制备得到的多孔石墨烯。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

（1）本发明利用资源丰富的多孔竹炭作为材料进行石墨化，降低了成本；

（2）本发明在n2气氛条件下，将多孔竹炭进行干燥过筛处理、石墨化剂混合处理、升温处理、降温处理、洗涤处理和烘干处理制备多孔竹炭石墨烯，工艺安全性高，生产效率高而且环保。

（3）多孔竹炭石墨化产物，d/g＜1，而且2d峰清晰可辨认，意味着多孔竹炭石墨烯为少层石墨烯，相对于用石墨粉为原料制备的石墨烯，受损程度较小为下游产品（导电碳浆料，石墨烯电池，轻质防弹衣等等）提供了质量保证。

附图说明

图1是本发明得到的多孔石墨烯的拉曼图谱。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

将购自市场的多孔竹炭95℃烘干过夜，然后，粉碎过50目筛；称取100克多孔竹炭和150克碳酸钾和50克硝酸锌混合均匀，在n2气氛条件下，将其置于石墨化炉中。控制升温速度为1.0℃/分钟到500℃，保温2小时；继续升温，控制升温速度为3.0℃/分钟，升温到1100℃，保温1小时，降温速度控制为5℃/分钟，慢慢降温到室温，室温取出样品，用稀盐酸洗3次，用去离子水作为洗涤液,直到清洗液为中性，在90℃烘干。经测试，所得产物比表面积为：1524m2/g；拉曼图谱见附图如图1所示[仪器名称：显微拉曼光谱仪，型号：labramaramis生产厂家：法国h.j.y公司]，图1是一个拉曼完整图谱，d，g和2d都存在，获得多孔竹炭石墨化产物，符合石墨烯拉曼图谱的的表征。

从图1可见，本实施例中，图1中，d/g为0.38，而且2d封清晰可辨认，意味着多孔竹炭石墨化产物是少层石墨烯，相对于用石墨粉为原料制备的石墨烯，受损程度较小；在应用上可保证了下游产品的质量。

实施例2

将购自市场的多孔竹炭100℃烘干过夜，然后，粉碎过100目筛；称取100克多孔竹炭和200克碳酸钠和200克硝酸锌混合均匀，在n2气氛条件下，将其置于石墨化炉中。控制升温速度为1.0℃/分钟到500℃，保温2小时；继续升温，控制升温速度为3.0℃/分钟，升温到1100℃，保温1小时，降温速度控制为5℃/分钟，慢慢降温到室温，室温取出样品，用稀盐酸洗3次，用去离子水作为洗涤液,直到清洗液为中性，在90℃烘干。经测试，所得产物比表面积为：1628m2/g；拉曼图谱如图1相近，d/g为0.49，用显微拉曼光谱仪测定，labramaramis生产，法国h.j.y公司。

实施例3

将购自市场的多孔竹炭95℃烘干过夜，然后，粉碎过50目筛；称取100克多孔竹炭和200克碳酸钠和100克硝酸锌混合均匀，在n2气氛条件下，将其置于石墨化炉中。控制升温速度为1.0℃/分钟到500℃，保温2小时；继续升温，控制升温速度为3.0℃/分钟，升温到1000℃，保温1小时，降温速度控制为5℃/分钟，慢慢降温到室温，室温取出样品，用稀盐酸洗3次，用去离子水作为洗涤液,直到清洗液为中性，在90℃烘干。经测试，所得产物比表面积为：1569m2/g；拉曼图谱如图1相近，d/g为0.52，用显微拉曼光谱仪测定，labramaramis生产，法国h.j.y公司。

实施例4

将购自市场的多孔竹炭98℃烘干过夜，然后，粉碎过100目筛；称取100克多孔竹炭和300克碳酸钠和100克硝酸铝混合均匀，在n2气氛条件下，将其置于石墨化炉中。控制升温速度为1.0℃/分钟到500℃，保温2小时；继续升温，控制升温速度为3.0℃/分钟，升温到1000℃，保温1小时，降温速度控制为5℃/分钟，慢慢降温到室温，室温取出样品，用稀盐酸洗3次，用去离子水作为洗涤液,直到清洗液为中性，在100℃烘干。经测试，所得产物比表面积为：1862m2/g；拉曼图谱如图1相近，d/g为0.58，用显微拉曼光谱仪测定，labramaramis生产，法国h.j.y公司。

实施例5

将购自市场的多孔竹炭95℃烘干过夜，然后，粉碎过50目筛；称取100克多孔竹炭和400克碳酸钾混合均匀，在n2气氛条件下，将其置于石墨化炉中。控制升温速度为1.0℃/分钟到800℃，保温2小时；继续升温，控制升温速度为3.0℃/分钟，升温到1000℃，保温1小时，降温速度控制为5℃/分钟，慢慢降温到室温，室温取出样品，用稀盐酸洗3次，用去离子水作为洗涤液,直到清洗液为中性，在90℃烘干。经测试，所得产物比表面积为：1972m2/g；拉曼图谱如图1相近，d/g为0.62，用显微拉曼光谱仪测定，labramaramis生产，法国h.j.y公司。

以上所述仅为发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的简单修改或变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。