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从生物质制备多孔石墨烯研究取得新进展
[ 来源: 材料与化工学院 ] 2018/1/3 10:31:00

生物质是地球上丰富、可再生的绿色资源,每年以约1640亿吨的速度不断再生,是制备炭材料的主要原料之一。生物炭是硬炭结构,它由石墨微晶和无定形区组成,短程有序而长程无序,宏观上不呈现晶体的性质,其中还存在大量微孔和缺陷。同时由于不具有长程有序的完整石墨结构、导电性能差,这些制约了硬炭的应用。长期以来,人们一直希望通过改变硬炭的微观结构,从而提高它的性能。最直接的方法就是石墨化,使石墨微晶长大成完整的石墨片层结构,同时消除硬炭结构中的缺陷、空穴和官能团,提高晶体完整性、导电率和导热性能,从而扩展它的应用领域和范围。然而生物质在热处理过程中形成的硬炭结构,属于难石墨化炭,即使高达3000℃时也难以得到规整的石墨结构。

最近,海南大学材料与化工学院研究生夏靳松在陈永教授的指导下,发展了一种以碳酸盐作为熔盐介质和催化剂的低温石墨化方法,在900℃实现了椰壳生物炭从硬炭结构转变为三维多孔石墨烯的高效制备。首先利用碳酸钾将硬炭中的sp3交联碳原子进行化学裁剪,脱离束缚的石墨微晶能够在熔盐中自由移动,再经碱金属原子的催化作用,石墨微晶合并长大形成石墨烯片层结构;同时碱金属碳酸盐的造孔作用使该材料兼具多孔结构,得到具有高比表面积的三维多孔石墨烯。而完整的石墨结构,使得该三维多孔石墨烯具有很高的导电性能,电导率达到32.14 S/cm,用于超级电容器储能器件中,取得了良好的效果。     

图1、椰壳基石墨烯的扫描电镜图(a)及放大图(b),透射电镜图(c)和高分辨透射电镜图(d).

相对于传统的3000℃石墨化温度,该方法极大地节约了能源,是一种工艺简单、成本低廉、易于产业化制备石墨烯的新工艺。不仅首次破解了硬炭结构难以石墨化的难题,也为生物质资源的高值化利用开辟出了一条值得探索的道路,因而具有重要理论意义和潜在的应用价值。

该项目得到了国家自然科学基金(51362009)、科技发展专项(ZY2016HN07)、海南省国际合作专项(KJHZ2015-02)和南海海洋资源利用国家重点实验室的资助。相关成果于12月20日在Green Chemistry上在线发表(DOI: 10.1039/C7GC03426A)。文章链接:http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/gc/c7gc03426a#!divAbstract。



该文发表于 2018/1/3 10:29:00 已被 编辑 2018/1/3 10:31:00

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