一种由生物质衍生碳质中间相制备石墨烯的方法技术

本发明专利技术涉及一种由生物质衍生碳质中间相制备石墨烯的方法，将基底物质浸渍于生物质衍生碳质中间相的乙醇溶液中，一定时间后将基底物质取出、干燥，基底物质表面附着一层生物质衍生碳质中间相薄膜，将基底物质在氢气气氛保护下进行热处理，即在基体物质表面形成石墨烯片堆积薄膜，进一步将基体物质置于醇类溶剂中经超声分散后，石墨烯薄膜与基体物质分离，形成石墨烯醇溶胶。本发明专利技术的制备工艺简单易操作，原材料生物质衍生碳质中间相来源广泛成本低，制备过程低能耗，可批量化规模生产，制备得到的石墨烯薄膜和石墨烯的醇溶胶，可用于太阳能电池、纳电子器件、传感器等，具有广阔的市场前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于先进材料
，尤其是涉及。
技术介绍
石墨烯是单原子层厚的二维碳原子晶体，呈六方蜂窝状，被认为是富勒烯、碳纳米管和石墨的基本结构单元分解可变成零维的富勒烯，卷曲360°可形成无缝中空管即一维碳纳米管，平行堆叠则形成三维的体相石墨。自从2004年首次发现单层石墨烯以来，石墨烯就以其独特的光学性能、突出的导热性能和力学性能以及非凡的电子传导性能等一系列优良的物理、化学性能，引起了科学家的广泛关注和极大的兴趣。目前制备石墨烯的方法主要有机械剥离法、在SiC或金属基板上外延生长法、石 墨氧化还原法、化学气相沉积法等。机械剥离法是通过透明光刻胶反复从高度定向热解石墨上剥离石墨烯片，产量小，生产效率低，重复性差，只限于实验室生产；SiC外延生长法虽可制备出大面积的石墨烯片，且质量较高，但是制备条件需高温高真空，原材料和工艺控制成本较高；化学气相沉积法是以含碳化合物为碳源，在金属基体上将碳源高温分解后沉积在基体表面，所得的石墨烯片是由小尺寸石墨烯片拼接而成，晶界的存在会影响石墨烯的性能。经对现有技术的文献检索发现，专利公开号CN 102409399A公开了一种高质量石墨烯的制备方法，是以单壁或多壁碳纳米管打开形成的石墨烯片为晶种，通过化学气相沉积法以晶种为核在基底表面生长石墨烯，此方法制备所得的石墨烯材料尺度大，缺陷低，但是原材料碳纳米管价格较为昂贵，来源匮乏，同时需将碳纳米管以等离子刻蚀或化学氧化等方法将其打开成石墨烯片为晶种，增加了实验过程的繁琐性。中国专利公开号为CN 1421477A公开了一种采用生物质资源材料及其废弃物作为原材料，通过对其进行一系列处理后，最终制备得到具有光学各向异性的碳质中间相。该生物质衍生碳质中间相来源广泛、价格低廉、对环境友好、利于工业大规模生成，且不同于由石油、煤作为原材料生成的碳质中间相，其层间距相对而言较大，而以由石油、煤作为原材料生成的碳质中间相制备石墨的相关内容已经有大量报道，所以以该生物质衍生碳质中间相为前驱体是可以制备石墨烯的。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种制备工艺简单易操作，制备过程低能耗，可批量化规模生产的由生物质衍生碳质中间相制备石墨烯的方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现，包括以下步骤(I)将基底物质浸溃于一定浓度的生物质衍生碳质中间相的乙醇溶液中，10分钟 2小时后将基底物质取出、干燥，基底物质表面附着一层生物质衍生碳质中间相薄膜；(2)将基底物质在含有氢气的气氛保护下进行热处理，即在基体物质表面形成石墨烯片堆积薄膜；(3)进一步将基体物质置于醇类溶剂中经超声分散后，石墨烯薄膜与基体物质分离，形成石墨烯的醇溶胶，即为产品。所述的基底物质为片状或粉状的单晶硅、多晶硅、云母或石英中的一种。所述的生物质衍生碳质中间相的乙醇溶液的浓度为O. 01 5wt%。所述的生物质衍生碳质中间相的乙醇溶液是指将生物质衍生碳质中间相溶解于无水乙醇中配制成溶液，其中生物质衍生碳质中间相是根据专利技术专利CN1421477A制备所得。干燥过程中的温度为室温 100°C。 所述的含有氢气的气氛为纯氢气.、氢气和氮气或其他惰性气体的混合气。所述的其他惰性气体包括氦气或氩气,其中氢气体积百分比大于75%。所述的热处理的温度为600 100CTC,处理时间为I 6小时。所述的醇类溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、正戊醇或乙二醇中的一种。所述的醇类溶剂优选为乙醇。生物质衍生碳质中间相是一种稠环芳香族化学结构的液晶，在基底物质表面形成层状排列结构。其每一个单元的边缘存在羟基等极性基团，在热处理过程中，当温度升高时，这些极性基团在平面上相互组装并发生缩聚反应，导致若干单元融并成更大尺寸的二维晶体结构的石墨烯片。而在垂直于平面方向，加热过程易导致石墨烯片的层间距缩短进而形成石墨晶体。但在氢气气氛下，氢气分子中的氢原子能与石墨烯片表面的极性基团以形成氢键的方式插入到两层石墨烯片之间，避免了石墨烯片之间因层间距的大幅度缩小而形成石墨晶体，维持了石墨烯结构的稳定性。与现有技术相比，本专利技术采用的原材料是具有光学各向异性的生物质衍生碳质中间相，其性能优良、层间距较大、来源广泛、价格低廉、对环境友好。本专利技术是对生物质衍生碳质中间相的一种应用，提供了一种石墨烯的新型制备技术。本专利技术的制备工艺简单易操作，制备过程低能耗，可批量化规模生产，制备得到的石墨烯薄膜和石墨烯的醇溶胶，可用于太阳能电池、纳电子器件、传感器等，具有广阔的市场前景。附图说明图I为实施例I制备所得的石墨烯片堆积薄膜的透射电镜图片。图2为实施例2制备所得的石墨烯片堆积薄膜的拉曼光谱表征结果。图3为实施例6制备所得的石墨烯片堆积薄膜的原子力显微镜表征结果。具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例I将单晶硅片浸溃于浓度为O. 01wt%的生物质衍生碳质中间相的乙醇溶液中，30分钟后将单晶硅片取出，在室温下干燥后，在单晶硅片表面附着一层生物质衍生碳质中间相薄膜。将单晶硅片置于纯氢气氛保护下进行热处理，温度为600°C，时间为6小时，即在单晶硅片表面形成石墨烯片堆积薄膜，其透射电镜照片如图I所示；进一步将单晶硅片放入乙醇中经超声分散后，制备得到石墨烯的乙醇溶胶。实施例2将多晶硅片浸溃于浓度为O. 5wt%的生物质衍生碳质中间相的乙醇溶液中，30分钟后将多晶硅片取出，在室温下干燥后，在多晶硅片表面附着一层生物质衍生碳质中间相薄膜。将多晶硅片置于纯氢气气氛保护下进行热处理，温度为800°C，时间为2小时，即在多晶硅片表面形成石墨烯片堆积薄膜，拉曼光谱如图2所示；进一步将多晶硅片放入乙二醇中经超声分散后，制备得到石墨烯的乙二醇溶胶。实施例3 将多晶硅粉浸溃于浓度为lwt%的生物质衍生碳质中间相的乙醇溶液中，20分钟后将多晶硅粉取出，在60°C下干燥后，在多晶硅粉表面附着一层生物质衍生碳质中间相薄膜。将多晶硅粉置于纯氢气气氛保护下进行热处理，温度为800°C，时间为2小时，即在多晶硅粉表面形成石墨烯片堆积薄膜；进一步将多晶硅粉放入甲醇中经超声分散后，制备得到石墨烯的甲醇溶胶。实施例4将云母片浸溃于浓度为2wt%的生物质衍生碳质中间相的乙醇溶液中，I小时后将云母片取出，在80°C下干燥后，在云母片表面附着一层生物质衍生碳质中间相薄膜。将云母片置于氢气、氩气混合气体(氢气体积百分比80% )保护下进行热处理，温度为1000°C，时间为I小时，即在云母片表面形成石墨烯片堆积薄膜；进一步将云母片放入异丙醇中经超声分散后，制备得到石墨烯的异丙醇溶胶。实施例5将石英片浸溃于浓度为2wt%的生物质衍生碳质中间相的乙醇溶液中，2小时后将石英片取出，在室温下干燥后，在石英片表面附着一层生物质衍生碳质中间相薄膜。将石英片置于氢气、氮气混合气体(氢气体积百分比90% )保护下进行热处理，温度为900°C，时间为2小时，即在石英片表面形成石墨烯片堆积薄膜；进一步将石英片放入正丁醇中经超声分散后，制备得到石墨烯的正丁醇溶胶。实施例6将石英片浸溃于浓度为5wt%的生物质衍生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由生物质衍生碳质中间相制备石墨烯的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)将基底物质浸渍于一定浓度的生物质衍生碳质中间相的乙醇溶液中，10分钟～2小时后将基底物质取出、干燥，基底物质表面附着一层生物质衍生碳质中间相薄膜；(2)将基底物质在含有氢气的气氛保护下进行热处理，即在基体物质表面形成石墨烯片堆积薄膜；(3)进一步将基体物质置于醇类溶剂中经超声分散后，石墨烯薄膜与基体物质分离，形成石墨烯的醇溶胶，即为产品。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵斌元，陈宇翔，赖奕坚，宁月生，王垒，周洁，范同祥，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海驿度数码科技有限公司，
类型：发明
国别省市：