一种以核桃壳为碳源制备氧化石墨烯的方法技术

本发明专利技术公开了一种以核桃壳为碳源制备氧化石墨烯的方法，主要包括以下步骤：1）核桃壳的预处理；2）碳化处理；3）催化石墨化；4）酸化和剥离。本发明专利技术解决了以往氧化石墨烯制备过程中存在的生产成本高、受碳源限制、所得氧化石墨烯尺寸较小的问题，具有原料来源丰富、生产成本低、重复性好、产品质量高的特点，具有广阔的应用前景。

A method of preparation of graphene oxide from walnut shell as carbon source

The invention discloses a method for preparing graphene oxide with walnut shell as carbon source, which mainly comprises the following steps: 1) pretreatment of walnut shell; 2) carbonization treatment; 3) catalytic graphitization; 4) acidification and stripping. The invention solves the problems that the graphene oxide preparation process, high production cost, carbon source, the limit of graphene oxide size smaller, has the characteristics of abundant raw materials, low production cost, good repeatability, high product quality, and has broad application prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种以核桃壳为碳源制备氧化石墨烯的方法
本专利技术涉及一种氧化石墨烯的制备方法，具体涉及以核桃壳为原材料，制备氧化石墨烯的方法。
技术介绍
氧化石墨烯是石墨烯的重要派生物，被认为是大规模合成石墨烯的战略起点。氧化石墨烯在结构上是由疏水性的未被氧化的芳香区域和亲水性的含氧基团（如：羧基、羟基、环氧基）组成，作为制备石墨烯的重要前驱体，同时以自身的一些独特性质（如具有双亲性能，能够降低界面间的能量，起到界面活性剂的作用等），而受到了人们的广泛关注。其应用主要涵盖能源行业，如：电能的储能、生物医药及建筑防火阻燃材料等方面。目前，氧化石墨烯的制备主要采用化学氧化的方法，具体的说来主要采用三种氧化方法：Brodie法，Staudenmair法和Hummers法三种。该些方法都是以天然矿石资源：石墨为原料，通过化学氧化处理后，使石墨片层的表面和边缘含有大量羟基、羧基及环氧等含氧基团，然后再经过剥离，最终得到氧化石墨烯。值得注意的是，上述的氧化石墨烯制备过程中通常是以天然鳞片石墨为原料，存在的受碳源限制、生产成本高、所得氧化石墨烯尺寸较小等的问题。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题提出了一种以核桃壳为碳源制备氧化石墨烯的方法。本专利技术采用如下技术方案：一种以核桃壳为碳源制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）核桃壳的预处理：将核桃壳用破碎机打磨成粉，用180目筛子过筛得到核桃壳粉，然后用10%盐酸浸泡12~24h后，用去离子水洗涤至中性，烘干备用；（2）碳化：将步骤（1）得到的核桃壳粉末与活化剂Fe2O3按一定比例混合均匀后，用研钵研磨均匀，然后置于高温管式炉中，并持续通入保护气体进行碳化热处理；其中，热处理条件为：在高温炉中，以2.5-20℃/min的升温速率升至600℃，并保温1-2h，得到生物质炭；（3）催化石墨化：将步骤（2）得到的生物质炭研磨均匀后，重新置于高温管式炉中进行二次热处理，并持续通入保护气体，并以2.5-20℃/min的升温速率升至960℃，并保温5-6h，随炉冷却后得到炭化铁粉末，然后将炭化铁粉末装入100ml的小坩埚中，再将小坩埚放入250ml的大坩埚中，装入混合均匀的Al2O3和活性炭的混合粉末，Al2O3和活性炭的质量比为1:1，直至完全埋没小坩埚，盖上盖子后，将其重新将其置于高温炉中，并以2.5-20℃/min的升温速率升至1200℃，并保温2-3h，得到生物质石墨；（4）酸化和剥离：取23mL浓度为98%的硫酸溶液和0.5g硝酸钠混合均匀后，冰水浴下冷却使体系温度低于5℃，不断搅拌下加入步骤（3）得到的生物质石墨1.0g，混合均匀后加入0.3g高锰酸钾，控制反应温度为10-15℃，反应1-2h后升温至35℃继续搅拌反应0.5-1h后，加入去离子水46mL，控制反应液温度在98℃，继续搅拌15min，然后加入140mL去离子水终止反应，再加入3mL质量浓度30%的双氧水，趁热过滤，并用盐酸溶液洗涤至滤液中无SO42-，再用去离子水洗涤至中性；将所得的滤饼重新分散到水中，形成均匀的溶液，超声剥离处理30-120min；再用离心机以4000-6000r/min的条件下离心3-5min，所得上清液为氧化石墨烯的水溶液。本专利技术还具有以下技术特征：上述操作步骤（2）中核桃壳粉末与活化剂Fe2O3的质量比为：17:3～4:1。上述操作步骤（2）和步骤（3）中所述的保护气为氮气、氩气、氦气的一种或者其中几种任意比例混合而成的气体。上述操作步骤（4）中所述超声30-120min，是在超声频率30-50KHz，超声功率为100-150W条件下进行的。有益效果：本专利技术利用核桃壳为原材料制备得到了理想的氧化石墨烯，解决了以往氧化石墨烯制备过程中存在的受碳源限制、生产成本高、所得氧化石墨烯尺寸较小的问题，具有原料来源丰富、生产成本低、重复性好、产品质量高的特点，具有广阔的应用前景。附图说明图1是本专利技术核桃壳及其碳化、石墨化产物照片，从图1中可以看出核桃壳经过碳化和石墨化处理后，可以得到理想的石墨粉；图2是本专利技术氧化石墨烯在水中的分散液照片，从图2中可以看出所制备得到的氧化石墨烯在水中呈高度分散状态；图3是本专利技术氧化石墨烯的FT-IR图，从图3中的曲线可以看出氧化石墨烯片上活性官能团的红外特征吸收峰，C=O的伸缩振动(1729cm-1)，O-H的弯曲振动(1387cm-1)，环氧基中的C-O伸缩振动(1122cm-1)，未被氧化sp2杂化的碳原子间的C=C伸缩振动(1625cm-1)，在3422cm-1处为氧化石墨烯纳米片上及其所吸附的水中的-OH基团伸缩振动所引起特征吸收峰。FTIR图有力的证明了经过氧化处理后，羟基、环氧基、羧基等官能团被接枝到了石墨烯片上；图4是本专利技术氧化石墨烯的TEM图，从图4中可以看出所制备得到的氧化石墨烯呈高度剥离状态；图5是本专利技术氧化石墨烯的粒度分析图，从图5中可以看出所制备得到的氧化石墨烯尺寸较大，氧化石墨烯的粒径主要集中在10um。具体实施方式实施例一：1、核桃壳的预处理：将核桃壳用破碎机打磨成粉，用180目筛子过筛得到核桃壳粉，然后用10%盐酸浸泡24h后，用去离子水洗涤至中性，烘干备用；2、碳化：将步骤（1）得到的核桃壳粉末与活化剂Fe2O3按质量比4:1混合均匀后，用研钵研磨均匀，然后置于高温炉中，并持续通入氮气进行碳化热处理；其中，热处理条件为：在高温炉中，以20℃/min的升温速率升至600℃，并保温2h，得到生物质炭；3、催化石墨化：将步骤（2）得到的生物质炭研磨均匀后，重新置于高温管式炉中，并持续通入保护气体，并以20℃/min的升温速率升至960℃，并保温6h，随炉冷却后得到炭化铁粉末，然后将炭化铁粉末装入100ml的小坩埚中，再将小坩埚放入250ml的大坩埚中，装入混合均匀的Al2O3和活性炭的混合粉末（Al2O3和活性炭的质量比为1:1），直至完全埋没小坩埚，盖上盖子后，将其重新将其置于高温炉中，并以20℃/min的升温速率升至1200℃，并保温3h，得到生物质石墨；4、酸化和剥离：取23mL浓度为98%的硫酸溶液和0.5g硝酸钠混合均匀后，冰水浴下冷却使体系温度低于5℃，不断搅拌下加入步骤（3）得到的生物质石墨1.0g，混合均匀后加入0.3g高锰酸钾，控制反应温度为15℃，反应2h后升温至35℃继续搅拌反应1h后，加入去离子水46mL，控制反应液温度在98℃，继续搅拌15min，然后加入140mL去离子水终止反应，再加入3mL质量浓度30%的双氧水，趁热过滤，并用盐酸溶液洗涤至滤液中无SO42-，再用去离子水洗涤至中性；将所得的滤饼重新分散到水中，形成均匀的溶液，超声剥离处理120min；再用离心机以6000r/min的条件下离心5min，所得上清液为氧化石墨烯的水溶液。如图2所示，所制备得到的氧化石墨烯在水中呈高度分散状态；如图4所示，所制备得到的氧化石墨烯呈高度剥离状态；如图5所示，所制备得到的氧化石墨烯尺寸较大，氧化石墨烯的粒径主要集中在10um。实施例二：1、核桃壳的预处理：将核桃壳用破碎机打磨成粉，用180目筛子过筛得到核桃壳粉，然后用10%盐酸浸泡18h后，用去离子水洗涤至中性，烘干备用；2、碳化：将步骤（1）得到的核桃壳粉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以核桃壳为碳源制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）核桃壳的预处理：将核桃壳用破碎机打磨成粉，用180目筛子过筛得到核桃壳粉，然后用10%盐酸浸泡12~24h后，用去离子水洗涤至中性，烘干备用；（2）碳化：将步骤（1）得到的核桃壳粉末与活化剂Fe2O3按一定比例混合均匀后，用研钵研磨均匀，然后置于高温管式炉中，并持续通入保护气体进行碳化热处理；其中，热处理条件为：在高温炉中，以2.5‑20 ℃/min 的升温速率升至600 ℃，并保温1‑2 h，得到生物质炭；（3）催化石墨化：将步骤（2）得到的生物质炭研磨均匀后，重新置于高温管式炉中进行二次热处理，并持续通入保护气体，并以2.5‑20 ℃/min 的升温速率升至960 ℃，并保温5‑6 h，随炉冷却后得到炭化铁粉末，然后将炭化铁粉末装入100ml的小坩埚中，再将小坩埚放入250ml的大坩埚中，装入混合均匀的Al2O3和活性炭的混合粉末，Al2O3和活性炭的质量比为1:1，直至完全埋没小坩埚，盖上盖子后，将其重新将其置于高温炉中，并以2.5‑20 ℃/min 的升温速率升至1200 ℃，并保温2‑3 h，得到生物质石墨；（4）酸化和剥离：取23 mL浓度为98%的硫酸溶液和0.5 g硝酸钠混合均匀后，冰水浴下冷却使体系温度低于5 ℃，不断搅拌下加入步骤（3）得到的生物质石墨1.0 g，混合均匀后加入0.3 g高锰酸钾，控制反应温度为10‑15 ℃，反应1‑2 h后升温至35℃继续搅拌反应0.5‑1 h后，加入去离子水46 mL，控制反应液温度在98℃，继续搅拌15 min，然后加入140 mL去离子水终止反应，再加入3 mL质量浓度30%的双氧水，趁热过滤，并用盐酸溶液洗涤至滤液中无SO4...

【技术特征摘要】
1.一种以核桃壳为碳源制备氧化石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）核桃壳的预处理：将核桃壳用破碎机打磨成粉，用180目筛子过筛得到核桃壳粉，然后用10%盐酸浸泡12~24h后，用去离子水洗涤至中性，烘干备用；（2）碳化：将步骤（1）得到的核桃壳粉末与活化剂Fe2O3按一定比例混合均匀后，用研钵研磨均匀，然后置于高温管式炉中，并持续通入保护气体进行碳化热处理；其中，热处理条件为：在高温炉中，以2.5-20℃/min的升温速率升至600℃，并保温1-2h，得到生物质炭；（3）催化石墨化：将步骤（2）得到的生物质炭研磨均匀后，重新置于高温管式炉中进行二次热处理，并持续通入保护气体，并以2.5-20℃/min的升温速率升至960℃，并保温5-6h，随炉冷却后得到炭化铁粉末，然后将炭化铁粉末装入100ml的小坩埚中，再将小坩埚放入250ml的大坩埚中，装入混合均匀的Al2O3和活性炭的混合粉末，Al2O3和活性炭的质量比为1:1，直至完全埋没小坩埚，盖上盖子后，将其重新将其置于高温炉中，并以2.5-20℃/min的升温速率升至1200℃，并保温2-3h，得到生物质石墨；（4）酸化和剥离：取23mL浓度为98%的硫...

【专利技术属性】
技术研发人员：张丽园，姜菲，盛蒂，王传虎，樊万鑫，
申请(专利权)人：蚌埠学院，
类型：发明
国别省市：安徽,34