CN104743547B - 一种三维石墨烯宏观体的制备方法 - Google Patents
一种三维石墨烯宏观体的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种三维石墨烯宏观体的制备方法，包括以下步骤：将含碳废弃物放置于基底上，将基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中；在高温条件下、保护气体中加热进行反应，反应结束后获得三维石墨烯宏观体。本发明的方法采用含碳废弃物成本低廉、简单易行、原材料来源广泛，制备前不需预处理；所得产物与基底不粘连，无需额外分离过程即可获得产物，有望实现含碳废弃物的大规模高价值再利用；本发明的方法仅需通入保护气体，更为环保和安全，更适于应用到实际产业中；本发明的方法制备得到的三维石墨烯宏观体比表面积高，在吸附中具有很大应用潜力，作为宏观体有利于固液分离。
Description
技术领域
本发明属于碳材料宏观体技术领域，涉及一种简单易行、成本低廉的利用含碳废弃物制备高比表面积的三维石墨烯宏观体的方法。
背景技术
石墨烯是一种新型的二维碳纳米材料，由于它具有独特的光学、热学、电子和机械性能，近年来已成为材料科学领域中最为炙手可热的纳米材料，被广泛应用于超级电容器、电池、催化生物传感器等众多领域。为了拓展其在环境、能源以及生物等领域实际应用的可能性、降低纳米材料因尺寸过小造成的不变，三维石墨烯应运而生。从微观角度来看，三维石墨烯除了拥有石墨烯的一些本征物理化学性能之外，在可利用比表面积、物质传输、活性催化剂负载方面都更加有利；从宏观角度来看，三维石墨烯更有利于实际应用、材料回用、大规模制备，从而使三维石墨烯宏观体制备与应用成为目前石墨烯研究领域的研究热点。专利201410333539.9、201110033478.0和201110105466.4等利用水热法制备还原氧化石墨烯凝胶等虽然可以固定石墨烯，但这些方法损失了可接触的比表面积及降低了含氧官能团。
化学气相沉积法自上世纪60年代发展起来，被广泛用于材料制备中，也是碳纳米材料制备中最为重要的方法之一。以下是传统的化学气相沉积法(如专利201410256565.6、201110342036.4等)制备石墨烯的方法：首先，传统方法主要利用甲烷、乙烯、乙炔等气体作为碳源；其次，传统方法所得产物紧密依附于基底，需要在有机溶剂保护下腐蚀掉金属基底才能获得产物；最后，传统方法大多在反应时需要通氢气。传统方法存在操作复杂、成本高、分离过程复杂、反应存在安全隐患等缺点。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种高比表面积的三维石墨烯宏观体的制备方法。
为实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
本发明提供了一种三维石墨烯宏观体的制备方法，包括以下步骤：
将含碳废弃物放置于基底上，将基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中；在高温条件下、保护气体中加热进行反应，反应结束后获得三维石墨烯宏观体。
所述含碳废弃物是有机质废弃物。
所述有机质废弃物可以是废纸、饼干、树叶、昆虫、羽毛、粪便等一切有机质废弃物。
所述基底为金属基底。
所述金属基底可以是镍、铜、铷、钌、金、铂、铁、钴、铌、铱、镐、钛、铊、钨、钒等一切具有催化性能的金属或它们的合金。
所述高温条件的温度为800～4000℃。
所述保护气体为氮气、氩气、氦气、氪气、氙气、氡气等一切惰性气体。
所述反应的时间≥3h。
本发明还提供了一种上述三维石墨烯宏观体在超级电容器、微生物燃料电池、化学传感器、催化材料、生物医药、固相萃取剂方面的用途。
本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1、传统方法主要利用甲烷、乙烯、乙炔等气体作为碳源，本发明的方法采用含碳废弃物成本低廉、简单易行、原材料来源广泛，制备前不需预处理。
2、传统方法所得产物紧密依附于基底，需要在有机溶剂保护下腐蚀掉金属基底才能获得产物，本发明的方法所得产物与基底不粘连，无需额外分离过程即可获得产物，有望实现含碳废弃物的大规模高价值再利用。
3、传统方法大多在反应时需要通氢气，本发明的方法仅需通入保护气体，更为环保和安全，更适于应用到实际产业中。
4、本发明的方法制备得到的三维石墨烯宏观体比表面积高，在吸附中具有很大应用潜力，作为宏观体有利于固液分离。
附图说明
图1为本发明所制备的三维石墨烯宏观体的光学示意图。
图2为图1所制备的三维石墨烯宏观体的拉曼图。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
将羽毛研磨成蛋白粉后放置于镍基底上，将金属基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中，在800℃、氮气保护中加热3h，反应结束后，直接取下不需任何后处理即可获得高比表面积三维石墨烯宏观体，如图1所示，图1为本发明所制备的三维石墨烯宏观体的光学示意图。由图1可以看出，反应后生成的石墨烯为三维宏观体，而非传统的二维石墨烯粉末，更加有利于实际应用。对该样品进行拉曼测试如图2所示，图2为图1所制备的三维石墨烯宏观体的拉曼图，由图2可见，该样品在1300cm-1和1500cm-1附近具有明显的D、G两峰，在2600cm-1附近具有2D峰值。经BET测试，该样品的比表面积高达420m2/g。
本发明方法制备的三维石墨烯宏观体可以用于超级电容器、微生物燃料电池、化学传感器、催化材料、生物医药、固相萃取剂中。
实施例2
将羽毛放置于铜基底上，将金属基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中，在800℃、氮气保护中加热3h，反应结束后，直接取下即可获得高比表面积三维石墨烯宏观体。
实施例3
将废纸放置于镍基底上，将金属基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中，在800℃、氮气保护中加热3h，反应结束后，直接取下即可获得高比表面积三维石墨烯宏观体。经BET测试，该样品比表面积为470m2/g。
实施例4
将饼干放置于铜基底上，将金属基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中，在1000℃、氩气保护中加热5h，反应结束后，直接取下即可获得高比表面积三维石墨烯宏观体。
实施例5
将树叶放置于铜基底上，将金属基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中，在2000℃、氩气保护中加热7h，反应结束后，直接取下即可获得高比表面积三维石墨烯宏观体。
实施例6
将昆虫放置于铜基底上，将金属基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中，在4000℃、氩气保护中加热7h，反应结束后，直接取下即可获得高比表面积三维石墨烯宏观体。
实施例7
将粪便放置于铜基底上，将金属基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中，在3000℃、氩气保护中加热24h，反应结束后，直接取下即可获得高比表面积三维石墨烯宏观体。
实施例8
将羽毛放置于金基底上，将金属基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中，在1500℃、氦气保护中加热3h，反应结束后，直接取下即可获得高比表面积三维石墨烯宏观体。
实施例9
将羽毛放置于铂基底上，将金属基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中，在2500℃、氮气保护中加热3h，反应结束后，直接取下即可获得高比表面积三维石墨烯宏观体。
实施例10
将羽毛放置于铁基底上，将金属基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中，在3500℃、氮气保护中加热3h，反应结束后，直接取下即可获得高比表面积三维石墨烯宏观体。
实施例11
将羽毛放置于钛基底上，将金属基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中，在1200℃、氮气保护中加热3h，反应结束后，直接取下即可获得高比表面积三维石墨烯宏观体。
实施例12
将羽毛放置于铊基底上，将金属基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中，在3000℃、氮气保护中加热3h，反应结束后，直接取下即可获得高比表面积三维石墨烯宏观体。
实施例13
将羽毛放置于钒基底上，将金属基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中，在1800℃、氮气保护中加热3h，反应结束后，直接取下即可获得高比表面积三维石墨烯宏观体。
实施例14
将羽毛放置于钨基底上，将金属基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中，在2300℃、氮气保护中加热3h，反应结束后，直接取下即可获得高比表面积三维石墨烯宏观体。
实施例15
将羽毛放置于铷基底上，将金属基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中，在2800℃、氮气保护中加热3h，反应结束后，直接取下即可获得高比表面积三维石墨烯宏观体。
实施例16
将羽毛放置于钴基底上，将金属基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中，在800℃、氮气保护中加热3h，反应结束后，直接取下即可获得高比表面积三维石墨烯宏观体。
实施例17
将羽毛放置于钌基底上，将金属基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中，在800℃、氮气保护中加热3h，反应结束后，直接取下即可获得高比表面积三维石墨烯宏观体。
实施例18
将羽毛放置于铌基底上，将金属基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中，在800℃、氮气保护中加热3h，反应结束后，直接取下即可获得高比表面积三维石墨烯宏观体。
实施例19
将羽毛放置于铱基底上，将金属基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中，在800℃、氮气保护中加热3h，反应结束后，直接取下即可获得高比表面积三维石墨烯宏观体。
实施例20
将羽毛放置于镐基底上，将金属基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中，在800℃、氮气保护中加热3h，反应结束后，直接取下即可获得高比表面积三维石墨烯宏观体。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种三维石墨烯宏观体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
将含碳废弃物放置于基底上，将基底放置于石英舟上，将石英舟放入管式炉中；在高温条件下、保护气体中加热进行反应，反应结束后获得三维石墨烯宏观体；
所述含碳废弃物是有机质废弃物；所述有机质废弃物是废纸、饼干、树叶、昆虫、羽毛或粪便；
所述高温条件的温度为800～4000℃。
2.根据权利要求1所述的三维石墨烯宏观体的制备方法，其特征在于：所述基底为金属基底。
3.根据权利要求2所述的三维石墨烯宏观体的制备方法，其特征在于：所述金属基底是镍、铜、铷、钌、金、铂、铁、钴、铌、铱、钛、铊、钨、钒或它们的合金。
4.根据权利要求1所述的三维石墨烯宏观体的制备方法，其特征在于：所述保护气体为氮气、氩气、氦气、氪气、氙气或氡气。
5.根据权利要求1所述的三维石墨烯宏观体的制备方法，其特征在于：所述反应的时间≥3h。
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