一種利用淀粉制備石墨烯的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[OO01 ]本發(fā)明涉及納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用淀粉制備石墨稀的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]2004年石墨烯材料被成功制備，自此引發(fā)了新一波碳素材料研究的熱潮。石墨烯是由一層碳原子組成的平面碳納米材料，是目前已知最薄的二維材料，其厚度僅為
0.335nm，它由六邊形的晶格組成。石墨烯中的碳原子之間由σ鍵連接，賦予了石墨烯極其優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)剛性。而且，在石墨烯中，每個碳原子都有一個未成鍵的P電子，這些P電子可以在晶體中自由移動，且運動速度高達(dá)光速的1/300，賦予了石墨烯良好的導(dǎo)電性。在光學(xué)方面，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。石墨烯具有奇特的力學(xué)、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，石墨烯擁有十分廣闊的發(fā)展前景。
[0003]為了讓優(yōu)秀的石墨烯材料實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，就必須開發(fā)出一種可大規(guī)模生產(chǎn)且層數(shù)和尺寸可控的制備方法。目前石墨烯的制備方法有機械剝離法、外延生長法、氧化還原法、超聲剝離法、有機合成法、溶劑熱法、化學(xué)氣相沉積法等。在這些方法中，在這些方法中，機械剝離法和外延生長法制備效率很低，難以滿足大規(guī)模的需要?；瘜W(xué)氣相沉積法雖然可以獲得大尺寸連續(xù)的石墨烯薄膜，適用于電子器件或透明導(dǎo)電薄膜，卻不能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。氧化還原法制備石墨烯材料粉體的成本低廉且容易實現(xiàn)，但是會產(chǎn)生大量的廢液，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，限制了石墨烯的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。這些方法都是以石墨礦作為原材，這種礦產(chǎn)資源不可循環(huán)再生，也不利于石墨烯的大規(guī)模發(fā)展。
[0004]近年來，高分子聚合物作為新的碳源，逐步進(jìn)入人們的研究范圍。中國專利公開號104528696A提供了一種石墨烯的制備方法，包括以下步驟:利用離子交換樹脂、淀粉、纖維素和無定形碳作為碳源，利用金屬催化劑先吸附碳源，再通過加熱制備了石墨烯。該方法將碳源拓展，得到質(zhì)量較高的石墨烯產(chǎn)品。然而，該方法中使用到了金屬催化劑，不僅給石墨稀引入雜質(zhì)，制備的石墨稀面積小，結(jié)晶差。
[0005]中國專利公開號103787321A公開一種自支撐石墨烯材料及其制備方法，該方法是將淀粉熱處理，洗滌，過濾干燥。再將干燥后的產(chǎn)物與堿混合，在無氧條件下燒結(jié)處理后，洗滌，烘干，得到自支撐石墨烯。相較傳統(tǒng)制備方法及所用原料，該方法具有操作方便，工藝過程簡便，成本低，制備出的石墨烯具有自支撐結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，特別適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。然而，該方法采用無氧燒結(jié)，燒結(jié)溫度達(dá)到800-1200 °C，對設(shè)備要求高，設(shè)備制備成本提尚O
[0006]綜上所述，現(xiàn)在已有的利用淀粉制備石墨烯方法中還沒有一種工藝過程簡單，不引入雜質(zhì)元素，且反應(yīng)溫度較低，原料可循環(huán)使用的石墨烯制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決上述方法的不足和缺陷，本發(fā)明開發(fā)出一種利用淀粉制備石墨烯的方法。該方法采用淀粉作為碳源，石墨作為生長模板，將石墨分散在淀粉膠體中，通過將淀粉裂解為碳和水分子，水分子被蒸發(fā)。同時，碳原子借助高溫高壓提供的高能量，排列到石墨層邊緣位置，生長出更大的石墨片層，然后超聲分離，離心，蒸發(fā)獲得石墨烯。該方法中不引入其他雜質(zhì)元素，獲得的濾渣仍然被循環(huán)使用，經(jīng)濟環(huán)保，適合于工業(yè)生產(chǎn)。
[0008]本發(fā)明提供一種利用淀粉制備石墨烯的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟:
a.將淀粉與石墨粉按質(zhì)量比5-10:1混合，與去離子水混合，得到混合溶液；
b.加熱步驟a獲得的混合溶液至53-60°C，攪拌均勻，得到混合糊化淀粉，冷卻至室溫放置3-7天，變成淀粉凝膠混合物；
c.惰性氣體保護下，將步驟b獲得的淀粉凝膠混合物加入連續(xù)螺桿反應(yīng)擠出機，加熱連續(xù)螺桿反應(yīng)擠出機至300-6000C，擠出壓力20-50 MPa，獲得固體產(chǎn)物，該固體產(chǎn)物即為石墨稀預(yù)制渣塊；
d.將石墨烯預(yù)制渣塊在放入離子水中，超聲分離30-60分鐘，離心，取上層清液，60-80°C下蒸干清液中的水12-24小時獲得石墨烯，過濾下層濁液得到濾渣，濾渣在60-80 V下干燥12-24小時后，可以繼續(xù)作為步驟a的原料，循環(huán)使用。
[0009]優(yōu)選的，所述淀粉為綠豆淀粉、木薯淀粉、甘薯淀粉、紅薯淀粉、馬鈴薯淀粉、麥類淀粉、菱角淀粉、藕淀粉、玉米淀粉。
[0010]優(yōu)選的，所述石墨粉為致密結(jié)晶狀石墨粉，鱗片石墨粉、膨脹石墨粉或可膨脹石墨粉。
[0011 ]優(yōu)選的，步驟a中所述混合溶液的濃度為50-300g/L。
[0012]優(yōu)選的，步驟c所述惰性氣體為氬氣、氦氣、氖氣。
[0013]優(yōu)選的，步驟d所述石墨烯預(yù)制渣塊與去離子水的重量比例為1-3:10。
[0014]本申請實施例中的上述一個或多個技術(shù)方案，至少具有如下一種或多種技術(shù)效果:
1、本發(fā)明采用將淀粉混合石墨制成凝膠，通過連續(xù)螺桿反應(yīng)擠出機提供的高溫高壓，分解淀粉，獲得高能量的碳原子，在已有的石墨層片的基礎(chǔ)上繼續(xù)生長獲得石墨烯材料。本發(fā)明提供上述方法不僅降低了石墨烯制備溫度，而且制備工藝過程簡單。
[0015]2、本發(fā)明采用淀粉作為碳源，取材廣泛，有利于降低生產(chǎn)成本，適用于工業(yè)生產(chǎn)。
[0016]3、本發(fā)明采用的溶劑為水，對環(huán)境無污染。
【具體實施方式】
[0017]通過【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明的范圍僅限于以下的實例。在不脫離本發(fā)明上述方法思想的情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識和慣用手段做出的各種替換或變更，均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0018]實施例一
本實施例包括如下步驟:
取大麥淀粉與鱗片石墨粉按質(zhì)量比5:1混合，加入適量去離子水，得到濃度為50g/L混合溶液，將該混合溶液加熱至53°C，攪拌均勻，得到包覆石墨的混合糊化淀粉混合物，冷卻至室溫條件下放置3天，獲得淀粉凝膠混合物，通入惰性氣體氬氣，在氬氣保護條件下，將獲得的淀粉凝膠混合物通過連續(xù)螺桿反應(yīng)擠出機擠出，設(shè)置連續(xù)螺桿反應(yīng)擠出機溫度至300°C，擠出壓力為20 MPa，獲得固體產(chǎn)物即為石墨稀預(yù)制渣塊，接下來，將制備的石墨稀預(yù)制渣塊按照重量比例為1:10投放于離子水中，經(jīng)超聲分離30分鐘后，離心取上層清液，在60°C條件下蒸干清液中的水獲得石墨烯，過濾下層濁液得到濾渣，濾渣在60°C下干燥24小時后，獲得石墨烯。經(jīng)檢測，實施例一中制備得到的石墨烯片層的平均厚度為0.69 nm，產(chǎn)率為2.5%。在本方案中，過濾獲得下層濁液得到濾渣可以經(jīng)干燥保存，作為下一次反應(yīng)的原料，循環(huán)使用，有利于降低生產(chǎn)成本。
[0019]實施例二
本實施例包括如下步驟:
取紅薯淀粉與鱗片石墨粉按質(zhì)量比5:1混合，加入適量去離子水，得到濃度為50g/L混合溶液，將該混合溶液加熱至53°C，攪拌均勻，得到包覆石墨的混合糊化淀粉