由糠醛树脂制备类石墨烯材料的方法、类石墨烯材料及其用途技术领域
本发明涉及材料制备技术领域，尤其涉及一种由糠醛树脂制备类石墨烯材料的方
法，同时，还涉及由该方法获得的类石墨烯材料及其用途。
背景技术
石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度
的二维晶体，2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，
成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在。石墨烯是目前自然界最薄、强度最高的
材料，其断裂强度比最好的钢材高200倍，同时它还具有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身
尺寸的20％，另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光，而且非常致密，即使是最
小的气体原子(氦原子)也无法穿透，因此其用途十分广泛，是电子、光学、磁学、生物医学、
储能等领域最具应用潜力的前沿材料之一，尤其适合作为硅的替代品，制造超微型晶体管，
用于生产未来的超级计算机，以及适合作为透明电子产品的原料，制作透明的触摸显示屏、
发光板和太阳能电池板等。
石墨烯作为一种“奇迹材料”，拥有极具吸引力的应用前景，我国对石墨烯材料的
研究进程位居世界前列，近年来在柔性触控屏和复合材料领域，石墨烯材料初露产业化曙
光，储能、传感器、芯片等电子器件领域形成研究热点，但石墨烯电池领域，由于存在的六边
二维石墨烯材料本身纳米高比表面积等性质与现在锂离子电池工业的技术体系的不兼容
问题，造成了在锂电子电池的限制应用。
此外，石墨烯的制备技术难题是阻碍石墨烯实现潜在价值的最大“拦路虎”。曼彻
斯特大学的教授们首次提取出石墨烯，是直接从石墨中剥离而来，但这种原始办法不可能
用于大规模工业生产；最近海姆和团队成员偶然地发现了一种简单易行的制备石墨烯的新
方法，通过将石墨片放置在塑料胶带中，折叠胶带粘住石墨薄片的两侧，撕开胶带，薄片随
之一分为二，不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，但该方法对于实现批量
生产很难。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种由糠醛树脂制备类石墨烯材料的
方法，利用可再生、可降解的生物树脂制备得到的类石墨烯材料，其性能和应用媲美甚至超
越石墨烯材料，并具有可大批量生产及应用的优势。
为实现上述目的，本发明提供的由糠醛树脂制备类石墨烯材料的方法，包括以下
步骤：
a、取糠醛树脂100份，加入磷酸硼2-4份、磷酸一胺4-5份、磷酸铝3-6份和固化剂2-
3份，预热至26-38℃并充分搅拌，得到糠醛混合物；
b、将糠醛混合物升温至60-100℃，保温8小时，再升温至100-130℃，保温6小时，进
行固化；
c、将固化后的糠醛混合物进行真空碳化、石墨化：在真空度-0.1MPa下，缓慢升温，
以4分钟1-2℃的升温速度由室温升至200℃，保温8-10min分钟，然后以2分钟2-3℃的升温
速度升温至200-300℃，保温9-12min分钟，以5分钟1-3℃的升温速度升温至300-650℃，保
温12-15分钟，以6分钟3-4℃的升温速度升温至650-1000℃，保温10-13分钟，再以1分钟5-6
℃的升温速度升温至1000-1600℃，保温40-45分钟，最后以1分钟8-10℃的升温速度升温至
1600-2400℃，进行石墨化；
d、真空碳化、石墨化后，降温至30-40℃，经微机械分离法得到类石墨烯材料产品。
作为对上述技术方案的限定，步骤a所述固化剂为草酸、磷酸盐或乌洛托品中的一
种。
作为对上述技术方案的限定，所述步骤a采用太阳能热水器进行预热。
作为对上述技术方案的限定，步骤a所述搅拌时间为10-12分钟。
作为对上述技术方案的限定，所述步骤c采用真空碳化炉进行真空碳化。
本发明的由糠醛树脂制备类石墨烯材料的方法，是通过热解法，将由植物为原料
获得的、可循环再生、可降解的生物树脂糠醛树脂，在添加剂、固化剂的作用下，经过特定的
热解工艺处理，制备得到具有六边或五边型网状二维三维晶体结构的类石墨烯材料，该材
料的结构虽不同于石墨烯材料的六边形单层结构，但可使该材料获得媲美石墨烯的超高力
学强度，和超越石墨烯的优异性能，其应用可替代甚至超越石墨烯材料，而且通过该制备方
法能够实现材料的低成本、大批量生产，使该类石墨烯材料得到批量应用，解决石墨烯应用
的限制瓶颈。
同时，本发明还提供了一种类石墨烯材料，由如上所述的方法制备得到。
本发明还提供了上述类石墨烯材料的用途，由如上所述的方法获得的类石墨烯材
料用作隔热材料、缓冲材料、电子和机械器件、锂电池材料。
通过本发明的制备方法获得的类石墨烯材料，具有六边或五边型网状二维三维晶
体结构，而且其单元结构中具有一个大的内带隙，不需要像石墨烯那样通过化学或物理的
修饰来打开带隙，这种原子构型丰富了人们对碳结构的认识，并且赋予了该类石墨烯材料
优异的性能。
获得的类石墨烯材料的热稳定性极高，可以承受高达3000℃的温度，具有特殊的
物理机械性能，和比六边二维晶体结构的石墨烯材料更好的抗断裂性能和回弹韧性，以及
抗负荷能力等，因此适用于隔热材料和缓冲材料。该材料的六边或五边型网状二维三维晶
体结构不仅可以卷成以六边或五边碳环为结构基元的半导体碳纳米管，而且还可以堆叠成
稳定的三维碳块体结构，且这种三维碳材料具有比碳六元环更大的带隙和较大的体弹性模
量，可应用于轻质半导体薄膜器件、电子和机械器件及应变放大器等，尤其在纳米尺度的电
子和机械器件中得到广泛的用途。此外，该类石墨烯材料属于低结晶炭，其独特的二维及三
维结构使之具有更为丰富的微观结构、较大的比表面积、较高的孔隙率，便于电解液对电极
的浸渍渗透和电子的传输及电解液的流动，有利于电解液和电极之间形成双电层，使电极
材料与电解液充分接触，减小离子扩散距离和扩散阻力，同时提供导电网络结构，使电子在
整个电极内得以快速传输，具有比金属氧化物更高的电子导电性及良好的导电率，具有优
良的吸附性，可吸储大量电解液，因此广泛用于电池电极、超级电容等，具有功率大、充放电
速度快，充放次数多、续航时间长、使用寿命长等优势。尤其适用于制作锂金属和锂离子电
池电极材料，在材料中嵌入锂时，锂离子可很快插层到微晶层中和之间的开孔中，而且因该
类石墨烯材料结构中掺入了磷混合物，从而显著增加电池可逆容量，可使锂电池可逆容量
达到529-568mA.h/g；并可以抑制锂离子及锂金属电池中的枝晶生长，提升电化学性能，提
高锂电池容量，从而解决了困扰石墨烯锂电池材料的一大难题，真正实现充电十几分钟，即
可续航上千公里的效果，具有广泛的应用前景。
综上所述，采用本发明的技术方案，成功将由植物为原料获得的、可循环再生、可
降解的生物树脂糠醛树脂，制备得到具有六边或五边型网状二维三维晶体结构的类石墨烯
材料，该材料的特定原子结构赋予材料媲美石墨烯的超高力学强度，和超越石墨烯的优异
性能，其应用不仅在隔热材料、缓冲材料、轻质半导体薄膜器件、电子和机械器件等领域可
替代石墨烯材料，而且解决了困扰石墨烯锂电池材料的一大难题，尤其适于用作锂金属和
锂离子电池电极的优良材料。通过该制备方法能够实现该类石墨烯材料的低成本、大批量
生产，使该材料得到批量应用，解决石墨烯应用的限制瓶颈，具有显著的经济效益。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，
显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的
实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都
属于本发明保护的范围。
实施例
本实施例涉及一种类石墨烯材料及其制备方法和用途。
由糠醛树脂制备类石墨烯材料的方法，包括以下步骤：
a、将糠醛树脂加入到反应釜中，添加磷酸硼、磷酸一胺、磷酸铝和固化剂，用太阳
能热水器预热至26-38℃搅拌10-12分钟，得到混合均匀的糠醛混合物；
b、将糠醛混合物放入模具中推进温室，升温至60-100℃，保温8小时，再升温至
100-130℃，保温6小时，进行固化；
c、将完全固化后的糠醛混合物放入真空碳化炉进行真空碳化：抽真空，在真空度-
0.1MPa下，缓慢升温，以4分钟1-2℃的升温速度由室温升至200℃，保温8-10min分钟，然后
以2分钟2-3℃的升温速度升温至200-300℃，保温9-12min分钟，以5分钟1-3℃的升温速度
升温至300-650℃，保温12-15分钟，以6分钟3-4℃的升温速度升温至650-1000℃，保温10-
13分钟，再以1分钟5-6℃的升温速度升温至1000-1600℃，保温40-45分钟，最后以1分钟8-
10℃的升温速度升温至1600-2400℃，进行石墨化；
d、真空碳化、石墨化后，降温至30-40℃，经微机械分离法，按所需层数进行机械剥
离分离，得到所需层数的类石墨烯材料产品。
制备方法中各原料组分的配比如下表所示：
按上表所示制备获得结构相同的类石墨烯材料，经检测该类石墨烯材料具有六边
或五边型网状二维三维晶体结构，不同于石墨烯材料的六边形单层结构，而且其单元结构
中具有一个大的内带隙。
对获得的类石墨烯材料进行性能测试，在热稳定性方面可以承受高达3000℃的温
度，具有比六边二维晶体结构的石墨烯材料更好的抗断裂性能和回弹韧性，以及抗负荷能
力，因此适用于隔热材料和缓冲材料。
该类石墨烯材料的六边或五边型网状二维三维晶体结构不仅可以卷成以六边或
五边碳环为结构基元的半导体碳纳米管，而且还可以堆叠成稳定的三维碳块体结构，且这
种三维碳材料具有比碳六元环更大的带隙和较大的体弹性模量，可应用于轻质半导体薄膜
器件、电子和机械器件及应变放大器等，尤其在纳米尺度的电子和机械器件中能够得到广
泛的应用。
该类石墨烯材料属于低结晶炭，其二维及三维结构便于电解液对电极的浸渍渗透
和电子的传输及电解液的流动，有利于电解液和电极之间形成双电层，具有比金属氧化物
更高的电子导电性及良好的导电率，具有优良的吸附性，可吸储大量电解液，广泛用于电池
电极、超级电容等，具有功率大、充放电速度快，充放次数多、续航时间长、使用寿命长等优
势。
该类石墨烯材料尤其适于用作锂金属和锂离子电池电极的制作材料，材料中嵌入
锂时，锂离子可很快插层到微晶层中和之间的开孔中，而且因材料结构中掺入了磷混合物，
从而显著增加电池可逆容量，可使锂电池可逆容量达到529-568mA.h/g；并可以抑制锂离子
及锂金属电池中的枝晶生长，提升电化学性能，提高锂电池容量，真正实现充电十几分钟，
即可续航上千公里的效果。
综上所述，采用本发明的由糠醛树脂制备类石墨烯材料的方法，获得的具有六边
或五边型网状二维三维晶体结构的类石墨烯材料，具有媲美甚至超越石墨烯材料的优异性
能，其应用不仅在隔热材料、缓冲材料、轻质半导体薄膜器件、电子和机械器件等领域可替
代石墨烯材料，而且解决了困扰石墨烯锂电池材料的一大难题，是制作锂金属和锂离子电
池电极的优良材料。通过该制备方法能够实现该类石墨烯材料的低成本、大批量生产，使该
材料得到批量应用，解决石墨烯应用的限制瓶颈，具有显著的经济效益。