CN111573656A - 一种石墨烯泡沫的制备方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种石墨烯泡沫的制备方法，包括以下步骤：将生物质热解，得到的热解气经冷凝后，得到气体混合物；将所述气体混合物净化后气相沉积在催化剂衬底上，去除催化剂衬底，得到石墨烯泡沫。本发明还提供了一种石墨烯泡沫的制备装置。本发明提供的方法以生物质为原料，利用了生物质热解产生的尾气，避免了尾气排放造成的大气污染，不仅原料简单易得，过程安全易操作，制备的石墨烯具有优异性能，而且能够有效利用生物质热解产生的余热。实验结果表明，本发明提供的制备方法制备得到的石墨烯泡沫具有良好的电子传输性能和吸附性能。
Description
技术领域
本发明属于石墨烯制备技术领域，尤其涉及一种利用生物质热解制备石墨烯泡沫的方法及装置。
背景技术
石墨烯具有高的电子传输速率、优异的导热性和渗透性，因此在能量存储和转换、水裂解、纳米器件、环境和绿色化学、催化、生物传感器和生物治疗等领域受到了广泛的关注。到2016年为止，已经有超过14000种石墨烯专利被注册，并且数量还在逐年增加。从2015年到2020年，全球石墨烯市场预计将保持42.8％的增长率，到2020年将达到2.847亿美元。
目前，在金属基底上进行化学气相沉积被认为是一种大规模合成三维石墨烯产品的常用技术，但是该方法需要使用大量的氢气、甲烷气、乙炔气或其他纯净化学物质，因此该方法的成本很高，并且具有潜在的风险，安全性较差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种石墨烯泡沫的制备方法及装置，本发明提供的方法原料简单易得，过程安全易操作，制备的石墨烯具有优异性能。
本发明提供了一种石墨烯泡沫的制备方法，包括以下步骤：
将生物质热解，得到的热解气经冷凝后，得到气体混合物；
将所述气体混合物净化后气相沉积在催化剂衬底上，去除催化剂衬底，得到石墨烯泡沫。
生物质是一种富含碳的并且可再生的原料，通常在惰性气氛中快速热解来生产生物油。然而，生物油在实际应用前通常需要进一步加工，这一步骤的成本影响了生物质热解技术的商业化。利用生物质热解制备高价值产品被认为是提高其经济竞争力的重要途径。当前，更多的研究主要集中在生物油的升级上，忽略了生物质热解过程中产生的大量气态产物(超过原料碳的20％)的利用。热解产生的气体包含大量的小分子碳氢化合物，氢和碳氧化物，它们通常被认为是毫无价值的，在生物质热解过程中进行处理后排出。本发明人认为这种混合气体可进一步用于生产高价值产品，以改善生物质热解的经济效益和可持续性。另外，生物质热解中产生的余热可用于部分抵消这种制造过程中的能量消耗。
基于此，本发明以生物质为原料，将其快速热解后，将得到的生物油冷凝，不冷凝气体经过净化后作为气相沉积石墨烯泡沫的碳源，能够得到石墨烯泡沫。本发明提供的方法以生物质为原料，原料简单易得，过程安全易操作，制备的石墨烯具有优异性能，而且能够有效利用生物质热解产生的余热。
本发明首先将生物质进行热解，优选为快速热解，具体为将生物质加入到预热至热解温度的反应器中，使生物质迅速热解，得到生物炭和气体产物。在本发明中，所述生物质包括但不限于木质素、纤维素、锯末或秸秆等。
作为优选，在反应器中加入生物质之前，对反应器进行除氧处理，具体为向反应器中通入氮气去除反应器中残留的空气，通氮气的时间优选为20～40min。
在本发明的一个实施例中，所述生物质热解的温度为700～1000℃。在本发明的一个实施例中，所述生物质热解的温度为800℃。
生物质热解之后，将得到的气态产物进行冷凝，得到生物油和不冷凝的气体混合物。本发明对所述冷凝没有限制，可以为自然冷却。
得到不冷凝的气体混合物后将其进行净化处理，得到较为纯净的气体混合物。具体的，将所述气体混合物净化包括：
将所述气体混合物经过碱吸收液和分子筛净化处理。
在一个实施例中，所述碱吸收液的浓度为30wt％～50wt％。在一个实施例中，所述碱吸收液的浓度为40wt％。
在一个实施例中，所述碱吸收液选自氢氧化钠吸收液或氢氧化钾吸收液。
在一个实施例中，所述分子筛选自4A分子筛。
本发明对所述经过碱吸收液和分子筛净化处理的顺序没有限制，可以先经过碱吸收液处理再经过分子筛处理，也可以先经过分子筛处理再经过碱吸收液处理，还可以同时经过碱吸收液和分子筛处理。
净化后，得到的气体混合物即可作为碳源在催化剂衬底上气相沉积，去除催化剂衬底后，即可得到石墨烯泡沫。
以所述净化后的气体混合物作为碳源进行气相沉积，可以在常压的条件下操作，温度为800～1200℃，优选为950℃。
在本发明中，所述催化剂衬底可以为泡沫镍，气相沉积之前，将所述泡沫镍进行预处理，气相沉积之后，在盐酸中洗去泡沫镍，即可得到三维石墨烯泡沫。
在本发明中，将所述泡沫镍进行预处理具体为将泡沫镍置于丙酮中超声清洗20～40min。
本发明还提供了一种石墨烯泡沫的制备装置，包括：
生物质热解装置；
与生物质热解装置的气体出口相连通的冷凝装置；
与所述冷凝装置的气体出口相连通的净化装置；
与所述净化装置的气体出口相连通的气相沉积装置。
本发明提供的石墨烯泡沫的制备装置包括生物质热解装置，用于将生物质原料快速热解。具体而言，所述生物质热解装置可以为包括原料入口和气体出口的石英管反应器。
本发明提供的制备装置还包括冷凝装置，用于将热解后的气体产物进行冷凝。具体而言，所述冷凝装置可以为生物质热解装置和净化装置之间的管道，在传输的同时冷凝。
本发明提供的制备装置包括净化装置，用于对不冷凝的气体混合物进行净化。在一个实施例中，所述净化装置内设置有碱吸收液和分子筛，不冷凝的气体混合物经过碱吸收液和分子筛后得到净化，剩余小分子气体。
本发明提供的制备装置还包括气相沉积装置，用于以净化后的气体作为碳源在催化剂衬底上进行沉积，获得石墨烯泡沫。
本发明以生物质为原料，将其快速热解后，将得到的生物油冷凝，不冷凝气体经过净化后作为气相沉积石墨烯泡沫的碳源，能够得到石墨烯泡沫。本发明提供的方法以生物质为原料，利用了生物质热解产生的尾气，避免了尾气排放造成的大气污染，不仅原料简单易得，过程安全易操作，制备的石墨烯具有优异性能，而且能够有效利用生物质热解产生的余热。实验结果表明，本发明提供的制备方法制备得到的石墨烯泡沫具有良好的电子传输性能和吸附性能。
附图说明
图1为本发明提供的生物质热解技术制备石墨烯泡沫的原理示意图；
图2是本发明实施例1制备的三维石墨烯泡沫的扫描电镜图；
图3是本发明实施例1制备的三维石墨烯泡沫的透射电镜图及选定区域电子衍射图；
图4是本发明实施例1制备的三维石墨烯泡沫的高分辨电镜图；
图5为实施例1制备的石墨烯泡沫的电流电压曲线；
图6为实施例1制备的石墨烯在-73℃到27℃温度范围内的电导率图；
图7为本发明实施例1制备的三维石墨烯泡沫对各种有机液体的吸附能力；
图8是本发明实施例2制备的三维石墨烯泡沫的扫描电镜图；
图9是本发明实施例2制备的三维石墨烯泡沫的透射电镜图及其选定区域电子衍射图；
图10是本发明实施例2制备的三维石墨烯泡沫的高分辨电镜图；
图11为实施例2制备的石墨烯泡沫的电流电压曲线；
图12是本发明实施例3制备的三维石墨烯泡沫的扫描电镜图；
图13是本发明实施例3制备的三维石墨烯泡沫的透射电镜图及其选定区域电子衍射图；
图14是本发明实施例3制备的三维石墨烯泡沫的高分辨电镜图；
图15为实施例3制备的石墨烯泡沫的电流电压曲线；
图16是本发明实施例4制备的三维石墨烯泡沫的扫描电镜图；
图17是本发明实施例4制备的三维石墨烯泡沫的透射电镜图及其选定区域电子衍射图；
图18是本发明实施例4制备的三维石墨烯泡沫的高分辨电镜图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1热解纤维素制备三维石墨烯泡沫
将5g纤维素置于石英管反应器的进样管中，同时向反应器中通氮气，持续30min除去反应管内残留的空气；然后将反应器加热至800℃，将纤维素快速投加到反应器中进行快速热解，生成生物炭，包含生物油的气体混合物；气体混合物经过管道冷凝后进入包括40wt％氢氧化钠吸收液和4A分子筛的气体净化装置进行净化处理，得到小分子气体。
将泡沫镍裁剪成25mm×75mm的片状，并在丙酮中超声清洗15分钟。然后将泡沫镍放置在气相沉积装置石英管的中心，并将管式炉加热到950℃。在常压下，净化后的小分子气体在管式炉中的泡沫镍上沉积为石墨烯。最后，在盐酸中洗去产物中的泡沫镍，得到三维石墨烯泡沫，标记为3DGF-C。
参见图1，图1为本发明提供的生物质热解技术制备石墨烯泡沫的原理示意图，生物质经过热解之后得到生物炭和包含生物油的混合气体，混合气体经冷凝、净化后进入化学气相沉积装置制备石墨烯泡沫。
得到石墨烯泡沫后，对所述三维石墨烯泡沫进行元素分析，结果参见表1，表1为本发明实施例制备的石墨烯泡沫的元素分析结果。
表1 本发明实施例制备的石墨烯泡沫的元素分析结果
由表1可知，本发明制备的三维石墨烯泡沫由约95％C、3％O和1％H组成。
参见图2、图3和图4，图2是本发明实施例1制备的三维石墨烯泡沫的扫描电镜图，图3是本发明实施例1制备的三维石墨烯泡沫的透射电镜图及选定区域电子衍射图，图4是本发明实施例1制备的三维石墨烯泡沫的高分辨电镜图。由图2、图3和图4可知，本发明制备的石墨烯泡沫都表现出三维网络，并且盐酸蚀刻处理后无裂纹或塌陷。通过高分辨率电镜和选定区域电子衍射观察石墨烯泡沫的形态和厚度，如图3和图4所示，可以看到大的石墨烯薄片。图3显示，得到的石墨烯泡沫在选定区域电子衍射图像中的衍射斑呈现出典型的六边形图案，表明得到的石墨烯具有单晶格结构。图4显示制备的石墨烯具有多层石墨烯结构。
测量所制备的三维石墨烯泡沫的电阻以确定其电子传输性能，结果参见图5和图6，图5为实施例1制备的石墨烯泡沫的电流电压曲线；图6为实施例1制备的石墨烯在-73℃到27℃温度范围内的电导率图。根据图5所示的电流电压曲线计算，3DGF-C的电导率为14.7S m-1，高于石墨烯复合材料和其他纳米碳材料的电导率，可以用作轻质导电材料；由图6可知，本发明制备的三维石墨烯泡沫的电导率从-73℃的7.0S m-1增加到27℃的7.45S m-1，表明其具有半导体性能，在低温下具有稳定的电子传输性能。
利用实施例1制备的三维石墨烯泡沫进行液体吸附测试，结果参见图7，图7为本发明实施例1制备的三维石墨烯泡沫对各种有机液体的吸附能力。由图7可知，本发明实施例制备的三维石墨烯泡沫可以分别吸收86、138、116、136、150和140g g-1的己烷，苯，辛烷，二甲苯，液体石蜡和甲苯。
实施例2热解木质素制备三维石墨烯泡沫
将5g木质素置于石英管反应器的进样管中，同时向反应器中通氮气，持续30min除去反应管内残留的空气；然后将反应器加热至800℃，将木质素快速投加到反应器中进行快速热解，生成生物炭，包含生物油的气体混合物；气体混合物经过管道冷凝后进入包括40wt％氢氧化钠吸收液和4A分子筛的气体净化装置进行净化处理，得到小分子气体。
将泡沫镍裁剪成25mm×75mm的片状，并在丙酮中超声清洗15分钟。然后将泡沫镍放置在气相沉积装置石英管的中心，并将管式炉加热到950℃。在常压下，净化后的小分子气体在管式炉中的泡沫镍上沉积为石墨烯。最后，在盐酸中洗去产物中的泡沫镍，得到三维石墨烯泡沫，标记为3DGF-L。
得到石墨烯泡沫后，对所述三维石墨烯泡沫进行元素分析，结果参见表1，表1为本发明实施例制备的石墨烯泡沫的元素分析结果。
由表1可知，本发明制备的三维石墨烯泡沫由约95％C、3％O和1％H组成。
参见图8、图9和图10，图8是本发明实施例2制备的三维石墨烯泡沫的扫描电镜图，图9是本发明实施例2制备的三维石墨烯泡沫的透射电镜图及其选定区域电子衍射图，图10是本发明实施例2制备的三维石墨烯泡沫的高分辨电镜图。由图8、图9和图10可知，本发明制备的石墨烯泡沫都表现出三维网络，并且盐酸蚀刻处理后无裂纹或塌陷。通过高分辨率电镜和选定区域电子衍射观察石墨烯泡沫的形态和厚度，如图9和图10所示，可以看到大的石墨烯薄片。图9显示，得到的石墨烯泡沫在选定区域电子衍射图像中的衍射斑呈现出典型的六边形图案，表明得到的石墨烯具有单晶格结构。图10显示制备的石墨烯具有多层石墨烯结构。
测量所制备的三维石墨烯泡沫的电阻以确定其电子传输性能，结果参见图11，图11为实施例2制备的石墨烯泡沫的电流电压曲线。根据图11所示的电流电压曲线计算，3DGF-L的电导率为25.2S m-1，高于石墨烯复合材料和其他纳米碳材料的电导率，可以用作轻质导电材料。
实施例3热解麦秸秆制备三维石墨烯泡沫
将5g麦秸秆置于石英管反应器的进样管中，同时向反应器中通氮气，持续30min除去反应管内残留的空气；然后将反应器加热至800℃，将麦秸秆快速投加到反应器中进行快速热解，生成生物炭，包含生物油的气体混合物；气体混合物经过管道冷凝后进入包括40wt％氢氧化钠吸收液和4A分子筛的气体净化装置进行净化处理，得到小分子气体。
将泡沫镍裁剪成25mm×75mm的片状，并在丙酮中超声清洗15分钟。然后将泡沫镍放置在气相沉积装置石英管的中心，并将管式炉加热到950℃。在常压下，净化后的小分子气体在管式炉中的泡沫镍上沉积为石墨烯。最后，在盐酸中洗去产物中的泡沫镍，得到三维石墨烯泡沫，标记为3DGF-W。
得到石墨烯泡沫后，对所述三维石墨烯泡沫进行元素分析，结果参见表1，表1为本发明实施例制备的石墨烯泡沫的元素分析结果。
由表1可知，本发明制备的三维石墨烯泡沫由约95％C、3％O和1％H组成。
参见图12、图13和图14，图12是本发明实施例3制备的三维石墨烯泡沫的扫描电镜图，图13是本发明实施例3制备的三维石墨烯泡沫的透射电镜图及其选定区域电子衍射图，图14是本发明实施例3制备的三维石墨烯泡沫的高分辨电镜图。由图12、图13和图14可知，本发明制备的石墨烯泡沫都表现出三维网络，并且盐酸蚀刻处理后无裂纹或塌陷。通过高分辨率电镜和选定区域电子衍射观察石墨烯泡沫的形态和厚度，如图13和图14所示，可以看到大的石墨烯薄片。图13显示，得到的石墨烯泡沫在选定区域电子衍射图像中的衍射斑呈现出典型的六边形图案，表明得到的石墨烯具有单晶格结构。图14显示制备的石墨烯具有多层石墨烯结构。
测量所制备的三维石墨烯泡沫的电阻以确定其电子传输性能，结果参见图15，图15为实施例3制备的石墨烯泡沫的电流电压曲线。根据图15所示的电流电压曲线计算，3DGF-W的电导率为12.8S m-1，高于石墨烯复合材料和其他纳米碳材料的电导率，可以用作轻质导电材料。
实施例4热解锯末制备三维石墨烯泡沫
将5g锯末置于石英管反应器的进样管中，同时向反应器中通氮气，持续30min除去反应管内残留的空气；然后将反应器加热至800℃，将锯末快速投加到反应器中进行快速热解，生成生物炭，包含生物油的气体混合物；气体混合物经过管道冷凝后进入包括40wt％氢氧化钠吸收液和4A分子筛的气体净化装置进行净化处理，得到小分子气体。
将泡沫镍裁剪成25mm×75mm的片状，并在丙酮中超声清洗15分钟。然后将泡沫镍放置在气相沉积装置石英管的中心，并将管式炉加热到950℃。在常压下，净化后的小分子气体在管式炉中的泡沫镍上沉积为石墨烯。最后，在盐酸中洗去产物中的泡沫镍，得到三维石墨烯泡沫，标记为3DGF-S。
得到石墨烯泡沫后，对所述三维石墨烯泡沫进行元素分析，结果参见表1，表1为本发明实施例制备的石墨烯泡沫的元素分析结果。
由表1可知，本发明制备的三维石墨烯泡沫由约95％C、3％O和1％H组成。
参见图16、图17和图18，图16是本发明实施例4制备的三维石墨烯泡沫的扫描电镜图，图17是本发明实施例4制备的三维石墨烯泡沫的透射电镜图及其选定区域电子衍射图，图18是本发明实施例4制备的三维石墨烯泡沫的高分辨电镜图。由图16、图17和图18可知，本发明制备的石墨烯泡沫都表现出三维网络，并且盐酸蚀刻处理后无裂纹或塌陷。通过高分辨率电镜和选定区域电子衍射观察石墨烯泡沫的形态和厚度，如图17和图18所示，可以看到大的石墨烯薄片。图17显示，得到的石墨烯泡沫在选定区域电子衍射图像中的衍射斑呈现出典型的六边形图案，表明得到的石墨烯具有单晶格结构。图18显示制备的石墨烯具有多层石墨烯结构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种石墨烯泡沫的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将生物质热解，得到的热解气经冷凝后，得到气体混合物；
将所述气体混合物净化后气相沉积在催化剂衬底上，去除催化剂衬底，得到石墨烯泡沫。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述生物质选自木质素、纤维素、锯末或秸秆。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述生物质热解的温度为700～1000℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将所述气体混合物净化包括：
将所述气体混合物经过碱吸收液和分子筛净化处理。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述碱吸收液的浓度为30wt％～50wt％。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述碱吸收液选自氢氧化钠吸收液或氢氧化钾吸收液。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述分子筛选自4A分子筛。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述气相沉积的压力为常压，所述气相沉积的温度为800～1200℃。
9.一种石墨烯泡沫的制备装置，其特征在于，包括：
生物质热解装置；
与生物质热解装置的气体出口相连通的冷凝装置；
与所述冷凝装置的气体出口相连通的净化装置；
与所述净化装置的气体出口相连通的气相沉积装置。
10.根据权利要求9所述的制备装置，其特征在于，所述净化装置内设置有碱吸收液和分子筛。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010425312.2A CN111573656A (zh) | 2020-05-19 | 2020-05-19 | 一种石墨烯泡沫的制备方法及装置 |
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| CN202010425312.2A CN111573656A (zh) | 2020-05-19 | 2020-05-19 | 一种石墨烯泡沫的制备方法及装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113914122A (zh) * | 2021-11-11 | 2022-01-11 | 南京林业大学 | 一种制备生物质耐高温材料的方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101831622A (zh) * | 2010-05-20 | 2010-09-15 | 中国科学院化学研究所 | 石墨烯泡沫及其制备方法 |
| CN106185896A (zh) * | 2016-07-04 | 2016-12-07 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 三维石墨烯及其复合材料的制备方法 |
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2020
- 2020-05-19 CN CN202010425312.2A patent/CN111573656A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101831622A (zh) * | 2010-05-20 | 2010-09-15 | 中国科学院化学研究所 | 石墨烯泡沫及其制备方法 |
| CN106185896A (zh) * | 2016-07-04 | 2016-12-07 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 三维石墨烯及其复合材料的制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| SHUN ZHANG ET AL.: "Sustainable production of value-added carbon nanomaterials from biomass pyrolysis", 《NATURE SUSTAINABILITY》 * |
| 张顺: "废弃生物质制备碳材料及其底泥修复与储能应用的研究" * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113914122A (zh) * | 2021-11-11 | 2022-01-11 | 南京林业大学 | 一种制备生物质耐高温材料的方法 |
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