稻谷壳可再生资源制备石墨烯的研究.docVIP

稻谷壳可再生资源制备石墨烯的研究

摘要:目的:为了充分利用南方丰富的稻谷壳资源，制备附加值较高的石墨烯纳米材料。方法:该文采用稻谷壳可再生资源经高温炭化、过筛、透析等工艺等制备活性炭，将其在高纯氩保护下高温催化石墨化后制备的石墨微晶作为石墨烯的新型碳源。应用具有较大离子半径的硫酸根离子(0.295nm)为插层剂预处理该石墨微晶，经水热及微波工艺制备石墨烯纳米片。采用透射电镜、扫描电镜、原子力显微镜、红外光谱、拉曼光谱及X射线衍射(X-raydiffraction

spectroscopy，XRD)等技术对样品进行了形貌、结构和谱学等表征。结果:原子力图表明，该石墨烯纳米片厚度范围为-10.8,1.75nm，为单层或双层石墨烯;由红外光谱可以观察到1550cm左右的石墨烯特征碳碳双键骨架振动峰。但未观-1-1察到传统Hummers氧化及水合肼法常出现，与石墨烯氧化后缺陷度有关的3000,3600cm之间峰及1250cm左右振动峰。XRD数据显示所制备材料在24.7?亦具有石墨烯特征峰。拉曼光谱分析则显示，该方法所制备材料的与石墨烯层数相关的2D峰峰高接近G带的2倍，而与石墨烯缺陷度有关的D带峰峰高较小。结论:该方法可成功制备单层或双层石墨烯纳米片，研究结果为高效制备基于稻谷壳可再生资源的石墨烯开辟了一条新路。

关键词:稻谷壳,可再生资源,石墨烯

中图分类号:O652.6文献标志码:A文章编号:

后续还原法等工艺制备，成本高。国内外应用稻谷壳、0引,言甘蔗渣等生物质资源制备低成本石墨烯有少量报道[12-13]。笔者研究团队以甘蔗渣为原料，在温和条件下石墨烯(Graphene)具有优异的电学、热学、化学[1-2]经改进型Hummers法制备得到锗纳米颗粒/石墨烯纳米及机械学等特性。目前常用的石墨烯合成方法包括

复合材料。该材料循环15圈后，容量仍可保持90%以上，Hummers氧化法及后续还原工艺(水合肼法等)、机械[12]展示了其作为锂电池负极材料的潜力。类似的，笔剥离法、化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition，[3-6]者研究小组也曾探索以甘蔗渣为原料，在可控热处理CVD)法等。但Hummers氧化法使用过量的高锰酸

条件下制备三维介孔石墨烯纳米复合材料。该功能材钾、过氧化氢等强氧化剂，极易引入大量化学缺陷，[13]料对偶氮染料活性黑的脱除效率达97.5%以上。直接影响石墨烯的许多本征特性，得到的石墨烯纳米

本文利用稻谷壳经高温炭化、洗涤、过筛、透析片尺寸也普遍较小(通常在1μm以下)，极大地制约[4-6]等工艺制备活性炭，以FeO为催化剂，应用高温催化了该方法的应用。而机械剥离及CVD等方法所制备23

石墨化技术制备高纯石墨微晶，并以此为原料，经浓的石墨烯量较小，在制备可控性或安全性方法也仍有[5-6]硫酸插层、溶剂热分散，微波处理及用快速冷却等工一定局限性。

艺将石墨烯片层快速剥离。采用透射电镜、扫描电镜、石墨(graphite)的层间作用力主要以强度较弱

原子力显微镜、红外光谱、拉曼光谱及X射线衍射等的范德华力存在，破坏层间范德华力有望实现石墨烯

纳米片的剥离。由于传统Hummers化学氧化法会引入技术对样品进行详细表征。该研究期望充分利用中国[5-8]大量缺陷，一些研究者尝试从源头开始，直接从石南方丰富的稻谷壳可再生资源，研究新型石墨烯剥离墨原料开始剥离单片石墨烯以制备石墨烯，并保持石技术，为制备石墨烯纳米材料提供新的借鉴。墨烯片层不被破坏。如Wang等通过水/N-甲基吡咯烷1材料与方法酮界面作用成功剥离石墨烯。但该方法制备的石墨烯[7]1.1材料与仪器片层较厚，仍存在石墨烯片层堆积现象。也有研究

所用N,N-二甲基乙酰胺(N,N-Dimethyl-者尝试应用表面活性剂辅助法由石墨原料剥离出石墨

acetamide，DMAC)等溶剂为分析纯，购自于广州化学烯纳米片，该方法获得的纳米片D带峰较化学还原法[7]试剂厂，其他试剂除特殊说明外，均为分析纯，购自明显减小，显示该方法可制备缺陷较小的石墨烯。

阿拉丁上海有限公司。稻谷壳为广东河源、梅州等地中国南方稻谷壳、玉米秆等可再生资源丰富，目

收集，其主要成分包括纤维素(30,)、木质素(20,)、前已有用于造纸、人造地板、复合材料等领域的相关[9]灰分(20,)、戊聚糖(20,)和蛋白质(3,)等。报道，但深加工利用率仍较低。广东是我国稻谷主2微波反应装置采用MWO-1000S型微波反应器(东产区之一,常年播种面积约333万hm,占全国播种面[10]京理化器械株式会社);扫描电镜选用JSM-5610LV型积的10%,居全国第3位。部分稻谷壳资源在禽畜饲

扫描电镜(scanningelectr