一种竹材废料一步转化多层石墨烯的方法与流程

本发明涉及一种竹材废料一步转化多层石墨烯的方法，属于熔盐电化学高值化碳纳米材料领域。

背景技术：

1、多层石墨烯材料通常厚度在2-10纳米之间，属于二维结构材料。多层石墨烯中层与层之间的范德华力比单层石墨烯之间的更强，从而具有更高的机械强度，同时具有单层石墨烯的高导电性，并且缩小传导距离而增加导电性，为电子器件提供更好的性能。

2、石墨是一种普通的碳素材料，由多个碳原子层组成，每层之间通过范德华力相互作用在一起，形成一种多层堆积的三维结构。

3、为了工业化获得多层石墨烯材料，常用的做法是先将无定形碳转化为石墨，然后进行剥离，或是直接通过生物质转化的方法或者利用催化剂石墨化的方法进一步获得多层石墨烯材料。其中生物质转化多层石墨烯的制备方法困难且繁琐，例如先在3000℃高温石墨化，再剥离；而利用催化剂石墨化制备，存在催化剂的二次去除，以及石墨化低、石墨化均一性差、形貌尺寸难以控制等问题。同时，专利cn103510103报道了一种低温电化学石墨化方法，可以将无定形碳转化为石墨，无需较高温度，给予了低温石墨化新的方法(angew.chem.int.ed.engl.2017,56,1751)。但10多年来，本领域一直采用两步法(先得到石墨，再剥离)将无定形碳转化为石墨烯材料，而第二步的剥离程序过程繁杂、可控度低，一直是影响无定形碳工业化生产石墨烯材料的瓶颈。

技术实现思路

1、针对上述技术存在的不足，本发明提供一种竹材废料基无定形碳一步转化多层石墨烯的方法。本发明通过电解程序，实现了无定形碳向石墨烯材料的一步法转变，过程简单可控，所得到的石墨烯材料厚度为2～5nm，层数为6～13层。

2、本发明解决上述技术问题所采用的方案是：一种竹材废料基无定形碳一步转化多层石墨烯的方法，采用如下一步法制备得到：以无定形碳作为阴极，石墨棒或合金作为阳极，熔盐为电解质，进行电解；电解结束后反复清洗，在阴极获得电解产物多层石墨烯；所述无定形碳为竹材废料碳化后得到的无定形碳。

3、进一步地，竹材废料为毛竹废料、淡竹废料、箭竹废料、巨龙竹废料、茶竿竹废料、慈竹废料中的至少一种或者混合物；所述竹材废料的碳化温度为700～1000℃

4、进一步地，竹材废料碳化前的烘干温度为80～200℃，时间为10～48h。

5、进一步地，竹材废料或竹材废料的无定形碳进行颗粒细化处理，以压制得到可以固体片状材料；颗粒细化处理方式为球磨，球磨时间为4～12h。

6、进一步地，竹材废料的无定形碳中硅的质量百分数为6wt％-20wt％。由此，竹材废料无定形碳中氧化硅或碳或同时可与熔融盐电解质发生反应，以实现一步石墨烯转化。

7、进一步地，熔盐为电解质，其阴离子为cl-、f-、co32-中的一种或多种；其阳离子为ca2+、na+、k+、li+、ba2+中的一种或多种；熔盐的工作温度为500～1000℃。

8、进一步地，电解采用两电极时，电压为1.5～2.5v，时间为2～12h；电解采用三电极时，相对参比电极其电位为-1.0～-1.8v，时间为2～12h。

9、进一步地，阳极为石墨棒或中的一种或多种。

10、进一步地，制备的多层石墨烯其厚度可达2～5nm左右，包含约6-13层左右，宽度1μm左右。

11、本发明所制备的多层石墨烯，而不是cn103510103的石墨，而且其厚度与层数明显低于报道(angew.chem.int.ed.engl.2017,56,1751)。这表明含氧化硅的竹材废料衍生炭的直接电解非常有利于无定形炭一步转化为多层石墨烯。

12、进一步地，本发明无模板无催化剂引入，其可扩展、低成本、短流程和可持续方法在高值化竹材废料衍生炭领域具有广泛的应用前景，其产物在储能材料、导电导热材料等领域具有较高的商业价值。

13、竹材废料为可再生生物质资源，其成本低廉，来源广泛，因此，竹材废料转化为多层石墨烯，且一步制备，对于其高值化应用具有重要意义。

技术特征：

1.一种竹材废料基无定形碳一步转化多层石墨烯的方法，其特征在于，采用无定形碳作为阴极，石墨棒或合金作为阳极，熔盐为电解质，进行电解；电解结束后反复清洗，在阴极获得电解产物多层石墨烯；所述无定形碳为竹材废料碳化后得到的无定形碳。

2.根据权利要求1所述的一步转化多层石墨烯的方法，其特征在于，所述的竹材废料选自毛竹废料、淡竹废料、箭竹废料、巨龙竹废料、茶竿竹废料、慈竹废料中的至少一种或者混合物。

3.根据权利要求1所述的一步转化多层石墨烯的方法，其特征在于，所述竹材废料的碳化温度为700～1000℃。

4.根据权利要求1所述的一步转化多层石墨烯的方法，其特征在于，所述的无定形碳中含有硅，硅的质量百分数为6wt％-20wt％。

5.根据权利要求1所述的一步转化多层石墨烯的方法，其特征在于，所述的熔盐为电解质，其阴离子为cl-、f-、co32-中的一种或多种；其阳离子为ca2+、na+、k+、li+、ba2+中的一种或多种；熔盐的工作温度为500～1000℃。

6.根据权利要求1所述的一步转化多层石墨烯的方法，其特征在于，电解采用两电极时，电压为1.5～2.5v，时间为2～12h；电解采用三电极时，相对参比电极其电位为-1.0～-1.6v，时间为2～12h。

7.根据权利要求1所述的一步转化多层石墨烯的方法，其特征在于，所述的多层石墨烯厚度为2～5nm，层数为6～13层。

技术总结本发明公开了一种竹材废料基无定形碳一步转化多层石墨烯的方法。将含硅竹材废料衍生炭压制为固态片状阴极，石墨棒或合金为阳极，熔盐为电解质，电解结束后，取出阴极电解产物后反复清洗，得到多层石墨烯。本发明所制备的多层石墨烯其厚度可达2nm左右，包含约6层左右，适用于所有竹材废料。这表明在熔盐内通过电解调控可实现竹材废料除去氧化硅杂质的同时，进一步可实现多层石墨烯的制备，进而实现一步转化。此外，本发明无模板无催化剂引入，其可扩展、低成本、短流程和可持续方法在高值化竹材废料衍生炭领域具有广泛的应用前景，其产物在储能材料、导电导热材料等领域具有较高的商业价值。技术研发人员：王帆,何生亮,吴英俊,郑伟成,王卫东,何丽聪,何敏,余塞君,钟震,李玲玉,吴剑峰,周丹,郑朴生,苏巧梅受保护的技术使用者：浙江佳禾竹业科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/16