本發(fā)明涉及一種多級(jí)孔石墨烯的制備方法、多級(jí)孔石墨烯的應(yīng)用，屬于石墨烯材料技術(shù)領(lǐng)域。所述制備方法首先通過(guò)碳酸鹽或堿式碳酸鹽活化得到高石墨化高比表面積的多孔碳，然后采取一種類似爆“爆米花”的綠色微波爆破法制備多級(jí)孔石墨烯材料。所得多級(jí)孔石墨烯應(yīng)用于鋰離子電容器中表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明以工業(yè)木質(zhì)素為原料，簡(jiǎn)單高效地獲取石墨烯多級(jí)孔材料，有利于節(jié)能降耗，并且獲得的具有較大比表面積及良好多孔性的石墨烯材料，將助力其應(yīng)用于鋰離子電池和超級(jí)電容器電極材料等能源存儲(chǔ)領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明公開(kāi)了一種多級(jí)孔石墨烯的制備方法、多級(jí)孔石墨烯的應(yīng)用，屬于石墨烯材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

石墨烯(Graphene)是從石墨材料中剝離出來(lái)、由碳原子組成的只有一層碳原子厚度的二維晶體，是目前發(fā)現(xiàn)的厚度最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，被稱為新材料之王。理想的石墨烯可以看作是一層被剝離的石墨分子，結(jié)構(gòu)是平面六邊形點(diǎn)陣，每個(gè)碳原子均為sp²雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個(gè)p軌道上的電子形成大π鍵，電子可以自由移動(dòng)，賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。石墨烯的制備對(duì)于現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)，特別是對(duì)于新能源領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

石墨烯的制備方法主要有：機(jī)械球磨法、氧化還原法和化學(xué)氣相沉積法。氧化還原法中經(jīng)典的hummer法是目前比較常用的方法，先將石墨通過(guò)強(qiáng)酸/強(qiáng)氧化劑氧化得到氧化石墨烯，再經(jīng)過(guò)還原得到氧化還原石墨烯。盡管這種方法操作簡(jiǎn)便、產(chǎn)量大，但石墨烯的質(zhì)量較差，生產(chǎn)過(guò)程危險(xiǎn)性較大且易產(chǎn)生二次污染。

木質(zhì)素廣泛存在于自然界植物體中，是植物體的重要組成部分，且儲(chǔ)量豐富，產(chǎn)量?jī)H次于纖維素。工業(yè)木質(zhì)素主要來(lái)自于制漿造紙廢水和生物煉制殘?jiān)覈?guó)每年工業(yè)木質(zhì)素的產(chǎn)量高達(dá)5000萬(wàn)噸。國(guó)內(nèi)外，工業(yè)木質(zhì)素的高質(zhì)資源化利用已經(jīng)研究多年，目前僅3％左右可以作為填料有效應(yīng)用于農(nóng)藥、混凝土、染料等行業(yè)。眾所周知，木質(zhì)素分子的含碳量高達(dá)50％～60％，是制備碳材料的理想前驅(qū)體。此外，木質(zhì)素是自然界植物體內(nèi)唯一具有芳香環(huán)的高分子聚合物，更是制備高石墨化碳和石墨烯的優(yōu)質(zhì)碳源。

現(xiàn)有技術(shù)中，將工業(yè)木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為石墨烯的研究屢見(jiàn)不鮮，常用的方法主要是催化法(CN108751171A、CN107235484A、CN111072014A、CN105439135A、CN111646461A、CN106241780A)、高溫碳化活化法(CN109292760B、CN110627050A、CN106495132A、CN109319764A)、水熱法(CN108977198A)、復(fù)合法(CN106587019A、CN106044744B、CN105236391A)等。上述方法具有一定的普適性，對(duì)于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化石墨烯均較為適用，但是能耗較大、操作復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多級(jí)孔石墨烯的制備方法。以該方法制備的石墨烯具有以均勻介孔為主，兼具大孔和微孔的多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明中，所述的多孔石墨烯的多孔結(jié)構(gòu)應(yīng)該理解為介孔率不低于50％，比表面積不低于1000m²·g^-1，多級(jí)孔道應(yīng)該理解是含有大孔、微孔和介孔。

在本發(fā)明中，所述木質(zhì)素為工業(yè)木質(zhì)素，包括麥草堿木質(zhì)素、竹漿堿木質(zhì)素、蘆葦堿木質(zhì)素、木漿堿木質(zhì)素、棉漿堿木質(zhì)素、硫酸鹽木質(zhì)素、木質(zhì)素磺酸鈉、酶水解木質(zhì)素和蔗渣堿木質(zhì)素中的至少一種。

申請(qǐng)人針對(duì)木質(zhì)素結(jié)構(gòu)及碳化研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素碳化后可最大限度的保留其芳香性結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)和石墨層的碳六環(huán)相似，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的剝離方法將其轉(zhuǎn)化為石墨烯。