郑州大学JPS:木质素基石墨烯的快速合成及其多功能应用

360影视 2025-01-16 21:34 2

摘要:石墨烯是一种具有卓越化学、热、机械和电学性能的二维材料。其高热导率、高强度和高载流子迁移率使其在复合材料中具有巨大应用潜力。然而,传统制备方法成本高、效率低。2014年,Tour团队开发了激光诱导石墨烯方法,2020年又发现了闪蒸焦耳加热(FJH)技术,能在毫

石墨烯是一种具有卓越化学、热、机械和电学性能的二维材料。其高热导率、高强度和高载流子迁移率使其在复合材料中具有巨大应用潜力。然而,传统制备方法成本高、效率低。2014年,Tour团队开发了激光诱导石墨烯方法,2020年又发现了闪蒸焦耳加热(FJH)技术,能在毫秒级将碳源转化为高质量石墨烯。尽管研究多集中于化石燃料基碳源,但生物质如木质素因其可再生性和高碳含量,成为FJH技术中极具潜力的前驱体。

论文概要

2025年1月13日,郑州大学Zhao Nan团队在Journal of Power Sources期刊发表题为“Ultrafast synthesis of lignin-based graphene by flash joule heating for multifunctional applications”的研究论文。本研究成功实现了通过闪蒸焦耳加热(FJH)技术将木质素在毫秒级时间内直接转化为高质量的闪速石墨烯(FG)。研究系统地分析了导电剂添加量、脉冲电压和闪速时间等参数对FG产品质量的影响,通过拉曼光谱、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等先进表征技术,确定了从木质素生产FG的最优工艺参数。实验结果表明,当电压为190V时,所得FG具有典型的涡旋层状结构,电阻低至6.5Ω,且其层间距较大,有利于在液体中的分散和进一步加工。此外,FG的加入显著提高了防腐漆的盐雾抵抗性(提高40.0%)和耐火材料的抗压强度(提高32.1%)。在电池应用中,FG作为正极材料时,纽扣电池的初始库仑效率在800°C时达到94.3%。在超级电容器中,FG基超级电容器在0.2 mA/cm²的电流密度下表面电容为7.69 mF/cm²。FJH技术为将低价值生物质转化为高附加值的石墨烯提供了一种简便、廉价且环境友好的方法,不仅实现了生物质的高值化利用,还显著降低了石墨烯的生产成本,为其商业化应用铺平了道路。

图文解读

图1展示了木质素基石墨烯(FG)在不同闪速焦耳加热(FJH)参数下的拉曼光谱分析。图1a中,FG的拉曼光谱显示了三个显著的声子模式:2D峰(约2700 cm⁻¹)、G峰(约1580 cm⁻¹)和D峰(约1350 cm⁻¹)。G峰通常出现在石墨碳中,对应于平面内的声子模式;D峰则在结构缺陷或石墨烯边缘出现;2D峰一般源于二阶区边界声子。随着脉冲电压从170V增加到210V,2D峰强度先增加后减少,ID/IG值先从1.35降至0.66再升至1.63,IG/I2D值先从3.55降至0.58再升至2.3,La值先从0.90增至29.2再降至1.96。这些变化表明,190V是制备木质素基FG的最佳电压,此时FG的缺陷少、质量高。过高或过低的电压均会导致FG质量下降。

图2为木质素和FG的扫描电子显微镜(SEM)图像。FJH处理增加了木质素的表面粗糙度和碳颗粒的分散度。FG主要由灰色晶体和细黑色粉末组成,前者是涡旋层状石墨烯(tFG)片的扩展网络,易于剥离和分离;后者是皱褶石墨烯,类似于非石墨化碳结构。这两种成分可以通过筛分轻易分离,因为灰色晶体聚集成较大颗粒。

图3展示了原始木质素和FG的高分辨率X射线光电子能谱(XPS)数据。图3a显示,原始木质素中存在大量C-O(H)键形式的氧,其余碳为SP3杂化。随着脉冲电压从140V增加到210V,FG中SP2 C-C键含量先从17.7%增加到38.8%再降至33.2%,而C-O(H)键含量先从21.8%降至18.4%再升至26.5%。当电压为190V时,碳元素含量最高(94.6%),氧元素和其他杂原子含量最低(4.72%和0.66%)。FJH后,木质素中SP3 C-C键含量从59.8%降至24.0%,而SP2 C-C键含量从0增加到38.8%,表明成功转化为FG。

图4通过透射电子显微镜(TEM)进一步研究了FG的层间距和晶片尺寸。图4a显示木质素中没有明显的晶体结构,而图4b显示140V下获得的FG也没有明显的晶体结构。随着脉冲电压的增加,FG的结晶度逐渐提高。图4c和d显示,190V下FG的TEM图像显示出高度石墨化的片状结构,层间距为3.65 Å,显著高于典型的AB堆叠石墨(3.35 Å)。这种较大的层间距有助于FG在溶液中的分散,保持二维材料性能。

图5展示了FG在纽扣电池中的应用。图5a显示了添加FG的纽扣电池电极的结构。FG的二维结构和高SP2杂化使其适合作为导体。800°C煅烧的FG在电池中表现出更高的比放电容量和循环稳定性,表明高温煅烧可以提高FG的质量。当放电速率为0.1C时,800°C下FG的比放电容量可达394 mAh/g,显著高于其他石墨烯基材料。

图6展示了FG基超级电容器的电化学行为。图6a为FG导电墨水制备的超级电容器结构和几何形状。图6b显示了在不同扫描速率下收集的循环伏安(CV)曲线,所有CV曲线均为伪矩形,表明良好的电容性能。图6c显示,基于CV曲线的比面积电容(CA)值随着扫描速率的增加而降低。图6d显示了在不同电流密度下收集的恒流充放电(CD)曲线,CA值随电流密度的增加而降低。图6f显示,即使经过10000次充放电循环,超级电容器的电容保持率仍高达约96%,显示出优异的循环稳定性。

图7揭示了基于FG的莫来石复合材料的内部结构。图7a显示,FG能够释放外部压力以提高抗压强度。FG在莫来石基体中的均匀分散对其质量至关重要,分散良好的FG使其成为耐火材料的最有潜力的添加剂。沿着莫来石晶界排列的FG颗粒在基体中形成了连续的网络,有助于复合材料的力学性能。当添加0.1%的FG时,复合材料的抗压强度从89.3 MPa增加到118 MPa。热重分析-差示扫描量热法(TGA-DSC)结果显示,FG在惰性气体氛围中热解时质量几乎不变,表明其具有优异的热稳定性和防火性,适用于耐火添加剂。

总结展望

总之,本研究成功利用闪蒸焦耳加热(FJH)技术将可持续的木质素转化为高质量的石墨烯。通过调整导电剂添加量、闪速时间和脉冲电压,优化了FJH参数。优化后,所得闪速石墨烯(FG)的ID/IG和IG/I2D比值分别为0.66和0.58。在190V电压下,FG呈现出典型的涡旋层状结构,电阻低至6.5Ω,由灰色晶体和细黑色粉末组成。FG层间较大的层间距有利于其在多种溶液中的分散,提升了进一步加工的潜力。此外,FG优异的电学性能使其在防腐涂层、电池电极、超级电容器和耐火材料等领域展现出成功的应用前景。木质素基FG的多功能应用为生物质的循环利用以及降低石墨烯生产成本提供了一种简便、经济且环境友好的方法。

来源:高温热冲击焦耳热超快合成

来源:石墨烯联盟

相关推荐