以水葫蘆為原料制備多孔類石墨烯材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種以水葫蘆為原料制備多孔類石墨烯材料的方法，水葫蘆洗凈、干燥后置于稀HCl中酸煮，抽濾，真空干燥；在N2氣氛中升溫300～900℃預(yù)碳化處理；預(yù)碳化后的碳化產(chǎn)物與KOH混合后在N2氣氛中升溫至400～1000℃條件下退火1～10h，冷卻至室溫后；樣品用稀HCl清洗，用蒸餾水進行清洗至中性，80℃烘干得多孔類石墨烯材料。本發(fā)明以對自然有害的生物為原料，變廢為寶，有利保護環(huán)境；采用簡單的酸煮與退火處理方法，通過控制酸煮時間與退火溫度與速率來控制酸煮后類石墨烯片厚度與大?。辉蟻碓闯浞?，方法簡單可靠，成本低、適合大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明得到的類石墨烯材料適用于電化學(xué)、電子器件和環(huán)境等領(lǐng)域。
【專利說明】以水葫蘆為原料制備多孔類石墨烯材料的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種以水葫蘆為原料制備多孔類石墨烯材料的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，材料特別是納米材料以其極大的科學(xué)價值與應(yīng)用前景引起了人們的極大關(guān)注，理論與研宄表明相對于塊體材料，二維納米材料有更加優(yōu)異的物理化學(xué)性能。石墨烯和類石墨烯由于具有良好的電子傳導(dǎo)性能和大的比表面積，在電化學(xué)領(lǐng)域、催化劑領(lǐng)域、物理吸附領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[K.Xie, X.T.Qin, X.Z.Wang, Y.N.Wang, H.S.Tao, Q.ffu, L.J.Yang and Z.Hu, Adv.Mater.，2012，24，347 - 352.]。多孔材料的類石墨稀結(jié)構(gòu)在保證良好導(dǎo)電性的同時提供了更多的電化學(xué)活性位點，且分布在類石墨烯片上的孔洞提供了電解液流動的通道，從而有利于電解液的流動和離子的迀移，成為太陽能電池、鋰離子電池和超級電容器最理想的材料之一。
[0003]常見的石墨烯制備涉及的方法有模板法、化學(xué)剝離法、物理氣相沉積法，以及近期發(fā)展的聚合物活化法等制備技術(shù)。如CN103787320公開了一種類石墨烯片層結(jié)構(gòu)的碳納米片材料的制備和應(yīng)用，是將有機高分子聚合物洗滌去雜，用l-3mol/L NaOH、去離子水和乙醇洗滌，在隊氣保護下250-450 °C預(yù)活化，升溫600-900 °C碳化，200-300 °C 二次活化，在HCl中浸泡，過濾、去離子水洗滌至中性，干燥即得。103449399公開了以生物質(zhì)為原料制備類石墨烯結(jié)構(gòu)碳材料，以生物質(zhì)廢棄物為原料，采用微波碳化和后續(xù)的氫氟酸處理的方法合成了類石墨烯結(jié)構(gòu)。但是微波碳化對設(shè)備要求高，氫氟酸危害大，故存在一定的局限性，且要獲得更大比表面的多孔類石墨烯結(jié)構(gòu)還需要進一步處理。
[0004]水葫蘆繁殖快，易在生長區(qū)內(nèi)形成優(yōu)勢物種。水葫蘆本身有很強的凈化污水能力，它只負(fù)責(zé)將污染物收集起來，但是并不負(fù)責(zé)將所有污染物降解掉。毒素依然存在，有富集重金屬的能力，鳳眼蓮死后腐爛體沉入水底形成重金屬高含量層，直接殺傷底棲生物。水葫蘆會覆蓋整個水面，使得水中的其他水生植物不能進行光合作用，從而死亡；水葫蘆覆蓋在水上會阻止空氣進入水中，使得水中的生物缺少空氣而死亡。它還淤塞水道、河湖?，F(xiàn)在對水葫蘆的治理還有很大的問題，如能將其應(yīng)用意義重大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)狀，旨在提供一種能將廢物利用，解決環(huán)境污染問題；生產(chǎn)工藝簡單可靠，原料來源充分，成本低、對較小，適合大規(guī)模生產(chǎn)的以水葫蘆為原料制備多孔類石墨烯材料的方法。
[0006]本發(fā)明目的的實現(xiàn)方式為，以水葫蘆為原料制備多孔類石墨烯材料的方法，具體步驟如下:
[0007]I)將打撈廢棄的水葫蘆洗凈，在80°C真空干燥12h，
[0008]2)將干燥后的水葫蘆置于0.1?5.0mol/L HCl中酸煮I?10h，抽濾，于80°C真空干燥12h ;
[0009]3)將真空干燥后水葫蘆在N2氣氛中以I?15°C /min的速率升溫300?900°C預(yù)碳化處理I?5h ;
[0010]4)將步驟3)預(yù)碳化后的碳化產(chǎn)物與KOH按質(zhì)量比為1:1?1:8進行混合，充分混合后在隊氣氛中以I?10°C /min的速率升溫至400?1000°C條件下活化退火I?10h，冷卻至室溫；
[0011]5)將步驟4)得到的樣品用0.1?3.0mol/L HCl進行清洗，然后用蒸餾水進行清洗數(shù)次至中性，80°C烘干得多孔類石墨烯材料。
[0012]本實驗與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下積極效果:
[0013]1、以對自然有害的生物為原料，變廢為寶，提高生物質(zhì)廢棄物的利用價值，有利保護環(huán)境；
[0014]2、采用簡單的酸煮與退火處理方法，通過控制酸煮時間與退火溫度與速率來控制酸煮后類石墨烯片厚度與大小，類石墨烯多孔碳片具有大的比表面積；
[0015]3、原料來源充分，方法簡單可靠，成本低、適合大規(guī)模生產(chǎn)。
[0016]本發(fā)明得到的類石墨烯材料適用于電化學(xué)領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是實施例2制備的多孔類石墨烯材料掃描電鏡照片；
[0018]圖2是實施例2制備的多孔類石墨烯材料的拉曼圖譜；
[0019]圖3是實施例2制備的多孔類石墨烯材料的充放電曲線；
[0020]圖4是實施例2制備的多孔類石墨烯材料的循環(huán)穩(wěn)定性曲線。

【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明將打撈后的水葫蘆洗凈后在80°C干燥12h，干燥后置于稀HCl中酸煮，抽濾，真空干燥；在N2氣氛中以I?15°C /min的速率升溫300?900°C預(yù)碳化處理I?5h ;優(yōu)選的是，在隊氣氛中以I?5°C /min的速率升溫500?800°C預(yù)碳化處理I?3h。預(yù)碳化后的碳化產(chǎn)物與KOH混合后在隊氣氛中，以I?15°C /min速率升溫至升溫至300?1000°C條件下活化退火I?10h，優(yōu)選的在隊氣氛中以5?10°C /min速率升溫至500?800°C條件下預(yù)碳化活化退火I?5h。冷卻至室溫后；樣品用稀HCl清洗，用蒸餾水進行清洗至中性，80 0C烘干得多孔類石墨烯材料。
[0022]下面用具體實施例詳述本發(fā)明。
[0023]實施例1
[0024]I)將打撈廢棄的水葫蘆洗凈，在80°C真空干燥12h，
[0025]2)將干燥后的水葫蘆置于0.lmol/L HCl中酸煮lh，抽濾，于80°C真空干燥12h ；
[0026]3)將真空干燥后水葫蘆在隊氣氛中以I°C /min的速率升溫300°C預(yù)碳化處理Ih ；
[0027]4)將步驟3)預(yù)碳化后的碳化產(chǎn)物與KOH按質(zhì)量比為1:8進行混合，充分混合后在隊氣氛中以1°C /min的速率升溫至400°C條件下活化退火lh，冷卻至室溫；
[0028]5)將步驟4)得到的樣品用0.lmol/L HCl進行清洗，然后用蒸餾水進行清洗數(shù)次至中性，80 0C烘干得多孔類石墨烯材料。
[0029]實施例2，同實施例1，不同的是，
[0030]2)將干燥后的水葫蘆置于lmol/L HCl中酸煮3h，抽濾；
[0031]3)將真空干燥后水葫蘆在隊氣氛中以5°C/min的速率升溫500°C預(yù)碳化處理2h ；
[0032]4)將步驟3)預(yù)碳化后的碳化產(chǎn)物與KOH按質(zhì)量比為1:1進行混合，充分混合后在隊氣氛中以5°C /min的速率升溫至800°C條件下活化退火2h，冷卻至室溫；
[0033]5)將步驟4)得到的樣品用lmol/L HCl進行清洗，然后用蒸餾水進行清洗數(shù)次至中性，80 0C烘干得多孔類石墨烯材料。
[0034]由本實施制備的多孔類石墨烯片由圖1的電鏡照片說明經(jīng)過高溫處理和活化后的產(chǎn)物為薄片狀結(jié)構(gòu)。由圖2Raman圖譜可知，除了在1340CHT1和1590CHT1處有兩個尖銳的峰外，在2600CHT1還出現(xiàn)一個明顯的凸起，說明樣品是由類石墨烯的薄層碳片組成。從圖3中可以看出活化后的多孔類石墨烯結(jié)構(gòu)具有良好的電化學(xué)性能，電容值高達280F/g，。如圖4可見，產(chǎn)品經(jīng)過6000次充放電后容量保持在95%以上，是一種廉價的高性能能源儲存材料。
[0035]實施例3，同實施例1，不同的是，
[0036]2)將干燥后的水葫蘆置于0.5mol/L HCl中酸煮10h，抽濾；
[0037]3)將真空干燥后水葫蘆在隊氣氛中以10°C /min的速率升溫800°C預(yù)碳化處理3h ；
[0038]4)將步驟3)預(yù)碳化后的碳化產(chǎn)物與KOH按質(zhì)量比為1:2進行混合，充分混合后在隊氣氛中以6°C /min的速率升溫至600°C條件下活化退火3h，冷卻至室溫；
[0039]5)將步驟4)得到的樣品用3mol/L HCl進行清洗。
[0040]實施例4，同實施例1，不同的是，
[0041]2)將干燥后的水葫蘆置于2.0mol/L HCl中酸煮3h，抽濾；
[0042]3)將真空干燥后水葫蘆在N2氣氛中以5°C /min的速率升溫900°C預(yù)碳化處理3h ；
[0043]4)將步驟3)預(yù)碳化后的碳化產(chǎn)物與KOH按質(zhì)量比為1:1進行混合，充分混合后在隊氣氛中以10°C /min的速率升溫至1000°C條件下活化退火5h，冷卻至室溫；
[0044]5)將步驟4)得到的樣品用2.0mol/L HCl進行清洗。
[0045]實施例5。同實施例1，不同的是，
[0046]2)將干燥后的水葫蘆置于1.5mol/L HCl中酸煮10h，抽濾；
[0047]3)將真空干燥后水葫蘆在隊氣氛中以15°C /min的速率升溫700°C預(yù)碳化處理5h ；
[0048]4)將步驟3)預(yù)碳化后的碳化產(chǎn)物與KOH按質(zhì)量比為1:4進行混合，充分混合后在隊氣氛中以10°C /min的速率升溫至500°C條件下活化退火10h，冷卻至室溫；
[0049]5)將步驟4)得到的樣品用2mol/L HCl進行清洗。
[0050]實施例6，同實施例1，不同的是，
[0051]2)將干燥后的水葫蘆置于2.0mol/L HCl中酸煮4h，抽濾；
[0052]3)將真空干燥后水葫蘆在N2氣氛中以5°C /min的速率升溫700°C預(yù)碳化處理5h ；
[0053]4)將步驟3)預(yù)碳化后的碳化產(chǎn)物與KOH按質(zhì)量比為1:1進行混合，充分混合后在惰性氣體中以7°C /min的速率升溫至800°C條件下活化退火2h，冷卻至室溫；
[0054]5)將步驟4)得到的樣品用0.5mol/L HCl進行清洗。
[0055]實施例7，同實施例1，不同的是，
[0056]2)將干燥后的水葫蘆置于2mol/L HCl中酸煮3h，抽濾；
[0057]3)將真空干燥后水葫蘆在N2氣氛中以8°C /min的速率升溫600°C預(yù)碳化處理4h ；
[0058]4)將步驟3)預(yù)碳化后的碳化產(chǎn)物與KOH按質(zhì)量比為1:5進行混合，充分混合后在隊氣氛中以8°C /min的速率升溫至900°C條件下活化退火4h，冷卻至室溫；
[0059]5)將步驟4)得到的樣品用3.0mol/L HCl進行清洗。
[0060]實施例8，同實施例1，不同的是，
[0061]2)將干燥后的水葫蘆置于3.0mol/L HCl中酸煮3h，抽濾；
[0062]3)將真空干燥后水葫蘆在N2氣氛中以3°C /min的速率升溫700°C預(yù)碳化處理5h ；
[0063]4)將步驟3)預(yù)碳化后的碳化產(chǎn)物與KOH按質(zhì)量比為1:4進行混合，充分混合后在隊氣氛中以7°C /min的速率升溫至500°C條件下活化退火8h，冷卻至室溫；
[0064]5)將步驟4)得到的樣品用1.0mol/L HCl進行清洗。
[0065]實施例9，同實施例1，不同的是，
[0066]2)將干燥后的水葫蘆置于5.0mol/L HCl中酸煮8h，抽濾；
[0067]3)將真空干燥后水葫蘆在N2氣氛中以3°C /min的速率升溫400°C預(yù)碳化處理2h ；
[0068]4)將步驟3)預(yù)碳化后的碳化產(chǎn)物與KOH按質(zhì)量比為1:3進行混合，充分混合后在隊氣氛中以2°C /min的速率升溫至700°C條件下活化退火6h，冷卻至室溫；
[0069]5)將步驟4)得到的樣品用2.0mol/L HCl進行清洗。
[0070]實施例10，同實施例1，不同的是，
[0071]2)將干燥后的水葫蘆置于5.0mol/L HCl中酸煮6h，抽濾；
[0072]3)將真空干燥后水葫蘆在N2氣氛中以3°C /min的速率升溫500°C預(yù)碳化處理3h ；
[0073]4)將步驟3)預(yù)碳化后的碳化產(chǎn)物與KOH按質(zhì)量比為1:6進行混合，充分混合后在隊氣氛中以10°C /min的速率升溫至800°C條件下活化退火5h，冷卻至室溫；
[0074]5)將步驟4)得到的樣品用3.0mol/L HCl進行清洗。
[0075]實施例11，同實施例1，不同的是，
[0076]2)將干燥后的水葫蘆置于4mol/L HCl中酸煮10h，抽濾；
[0077]3)將真空干燥后水葫蘆在N2氣氛中以4°C /min的速率升溫900°C預(yù)碳化處理2h ；
[0078]4)將步驟3)預(yù)碳化后的碳化產(chǎn)物與KOH按質(zhì)量比為1:6進行混合，充分混合后在隊氣氛中以10°C /min的速率升溫至1000°C條件下活化退火lh，冷卻至室溫；
[0079]5)將步驟4)得到的樣品用3.0mol/L HCl進行清洗。
[0080]實施例12，同實施例1，不同的是，
[0081]2)將干燥后的水葫蘆置于2.0mol/L HCl中酸煮9h，抽濾；
[0082]3)將真空干燥后水葫蘆在隊氣氛中以13°C /min的速率升溫700°C預(yù)碳化處理3h ；
[0083]4)將步驟3)預(yù)碳化后的碳化產(chǎn)物與KOH按質(zhì)量比為1:7進行混合，充分混合后在隊氣氛中以5°C /min的速率升溫至800°C條件下活化退火3h，冷卻至室溫；
[0084]5)將步驟4)得到的樣品用3mol/L HCl進行清洗。
【權(quán)利要求】
1.以水葫蘆為原料制備多孔類石墨烯材料的方法，其特征在于具體步驟如下: 1)將打撈廢棄的水葫蘆洗凈，在80°c真空干燥12h； 2)將干燥后的水葫蘆置于0.1?5.0mol/L HCl中酸煮I?10h，抽濾，于80°C真空干燥 12h ； 3)將真空干燥后水葫蘆在N2氣氛中以I?15°C/min的速率升溫300?900°C預(yù)碳化處理I?5h ; 4)將步驟3)預(yù)碳化后的碳化產(chǎn)物與KOH按質(zhì)量比為1:1?1:8進行混合，充分混合后在隊氣氛中以I?10°C /min的速率升溫至400?1000°C條件下活化退火I?10h，冷卻至室溫； 5)將步驟4)得到的樣品用0.1?3.0mol/L HCl進行清洗，然后用蒸餾水進行清洗數(shù)次至中性，80°C烘干得多孔類石墨烯材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以水葫蘆為原料制備多孔類石墨烯材料的方法，其特征在于步驟3)中在N2氣氛中以I?5°C /min的速率升溫500?800°C預(yù)碳化處理I?3h。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以水葫蘆為原料制備多孔類石墨烯材料的方法，其特征在于步驟4)中在N2氣氛中以5?10°C /min速率升溫至500?800°C條件下活化退火I?5h。
【文檔編號】C01B31/04GK104495796SQ201410691321
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】陳雪陽, 高標(biāo), 吳凱, 霍開富, 徐華星 申請人:武漢科技大學(xué)