山東南墅石墨礦地質(zhì)特征及石墨烯應(yīng)用實驗研究

山東南墅石礦地質(zhì)特征石墨烯應(yīng)用驗研究山東南墅石墨礦是中國重要的石墨礦之一。近年來受世界石墨行業(yè)普遍不景氣影響,山東南墅石墨礦于2015年12月破產(chǎn)閉坑。重新振興研究區(qū)的石墨產(chǎn)業(yè),急需一種新的能夠提高礦區(qū)石墨資源經(jīng)濟(jì)價值的資源開發(fā)利用模式石墨烯是一種價格昂貴質(zhì)優(yōu)良的新型碳納米材料,石墨是其制備的原材料,如果把研究區(qū)內(nèi)的石墨轉(zhuǎn)化為石墨烯,將會極大的提高研究區(qū)內(nèi)石墨礦的潛在經(jīng)濟(jì)價值,有可能挽救已經(jīng)倒閉的礦山企業(yè)。研究區(qū)位于膠東半島西部出露地層主要為古元古界荊山群和第四系地層;區(qū)內(nèi)構(gòu)造較為發(fā)育主要分為褶皺構(gòu)造裂構(gòu)造和節(jié)理構(gòu)造;區(qū)內(nèi)變質(zhì)作用以區(qū)域變質(zhì)作用為主混合巖化-花崗巖化作用較強(qiáng)。區(qū)內(nèi)石墨礦主要產(chǎn)出于古元古界荊山群陡崖組徐村段礦床分布受地層、變質(zhì)巖域變質(zhì)作用及構(gòu)造的影響,富碳酸建造的粘土半粘土質(zhì)巖層是找礦的主要標(biāo)志;研究區(qū)石墨礦床主要是在淺海帶較穩(wěn)定的沉積環(huán)境中由富含有機(jī)質(zhì)的陸源碎屑沉積,經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用,并在混合巖化作用的疊加作用之下形成的,屬沉積變質(zhì)型礦床。研究區(qū)內(nèi)主要包含劉家莊石墨礦和岳石石墨礦通過資源儲量核查,共查明全區(qū)石墨礦石資源儲量總計75270噸,傳統(tǒng)經(jīng)營模式下,潛在經(jīng)濟(jì)價值為81.40億元,若用球磨法和電化學(xué)方法將石墨轉(zhuǎn)化為石墨烯其潛在經(jīng)濟(jì)價值將達(dá)到1184044億元,提高了14546倍。為驗證將研究區(qū)石墨制備為石墨烯的可行性,分別選取劉家莊和岳石礦區(qū)晶質(zhì)石墨礦作為樣品進(jìn)行球磨法和電化學(xué)方法制備石墨烯的實驗,并對制備的石墨烯材料進(jìn)行了拉曼圖譜、透射電鏡、X-射線衍射、紅外光譜等表征。結(jié)果表明:兩種方法均制備出了粒徑均勻、比表面積大的高品質(zhì)石墨烯材料;兩個礦區(qū)樣品用同一種方法制備的石墨烯表征結(jié)果相近,表明兩個礦區(qū)的晶質(zhì)石墨礦均可制得高品質(zhì)的石墨烯。為驗證本研究所得石墨烯具有良好的應(yīng)用價值本文進(jìn)行了石墨烯在電化學(xué)發(fā)光傳感器檢測中的應(yīng)用實驗石墨烯量子點在金屬離子檢測污水處理細(xì)胞成像中的應(yīng)用研究果表明:用球磨法制備石墨烯可為進(jìn)一步制備為石墨烯量子點提供綠色環(huán)保的碳源,可成功應(yīng)用于自來水中鐵離子的檢測、污水處理及細(xì)胞成像研究;電化學(xué)方法制備的石墨烯,應(yīng)用于電化學(xué)發(fā)光傳感器的制備,可成功地實現(xiàn)對三丙胺和藥物四環(huán)素的檢測,方法簡單濟(jì)實用充分證明了本區(qū)石墨制備的石墨烯具有巨大應(yīng)用潛力和經(jīng)濟(jì)價值?？傊疚耐ㄟ^對研究區(qū)地質(zhì)特征

的深入研究,估算出研究區(qū)內(nèi)石墨資源的資源儲量計算出現(xiàn)有經(jīng)營模式下的潛在經(jīng)濟(jì)價值,通過將石墨制備為石墨烯來提高其潛在經(jīng)濟(jì)價值并用不同的實驗方法來驗證石墨烯的制備和應(yīng)用的可行性。實驗結(jié)果表明本區(qū)的晶質(zhì)石墨礦完全可以制備性質(zhì)優(yōu)良的石墨烯,并且實驗結(jié)果表明所制備的石墨烯具有良好的應(yīng)用效果;通過本文研究將石墨制備為石墨烯來提高研究區(qū)石墨資源潛在經(jīng)濟(jì)價值的模式是可行的。本研究所得成果,可為研究區(qū)地質(zhì)勘查與開發(fā)提供理論依據(jù),可作為礦山企業(yè)發(fā)展和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略決策的依據(jù),應(yīng)用本文成果將為重振本區(qū)礦山企業(yè)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)揮重要作用文創(chuàng)新點主要有以下方面創(chuàng)新點一:通過對研究區(qū)地質(zhì)特征及礦床石特征的深入研究估算出資源儲量及潛在經(jīng)濟(jì)價值通過將區(qū)內(nèi)石墨轉(zhuǎn)化為石墨烯,建立能極大提升研究區(qū)石墨資源潛在經(jīng)濟(jì)價值的資源開發(fā)新模式,并用實驗驗證了其制備和應(yīng)用的可行性創(chuàng)立研究區(qū)石墨資源產(chǎn)學(xué)研一體化研究的新模式新點二:本研究選用研究區(qū)石墨作為原材料分別用優(yōu)化的球磨法和電化學(xué)方法制備出了高品質(zhì)石墨烯材料球磨法采用成本低廉無毒的干冰作為濕介質(zhì),制備出了粒徑均勻表面積大的高品質(zhì)石墨烯本技術(shù)克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的耗能大、效率低、成本高、污染環(huán)境等諸多缺點所需儀器設(shè)備要求不高備過程綠色環(huán)保;電化學(xué)方法選用芘功能化的聚丙烯酸(PAA)作為輔助剝離介質(zhì),儀器設(shè)備簡單操作簡便條件溫和,實現(xiàn)了PAA功能化的具有良好石墨晶格結(jié)構(gòu)的、分散性良好的少層石墨烯材料的一步法制備PAA的添加提高了石墨烯的分散性,同時實現(xiàn)了石墨烯的功能化大大拓展了所制備石墨烯的應(yīng)用潛力和價值。這兩種方法為探索穩(wěn)定可靠的將研究區(qū)石墨轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)價值高的產(chǎn)品提供了新思路。創(chuàng)新點三:本研究采用電化學(xué)方法制備得到的功能化石墨烯(PAAG),與全氟化離子鍵聚合物(Nafion)形成復(fù)合物離子交換膜,制備得到PAAG/Ru修飾的電化學(xué)發(fā)光傳感器PAAG的使用一方面由于石墨烯的存在極大地提高了傳感器的電導(dǎo)率,同時基于帶正電的電化學(xué)發(fā)光探針和帶負(fù)電的PAA之間的靜電吸附作用,極大地提高了探針的吸附量使制得的傳感器高效、穩(wěn)定,可實現(xiàn)對三丙胺和藥物四環(huán)素的靈敏檢測,同時具有長期穩(wěn)定性良好、操作簡單、經(jīng)濟(jì)低耗的特點分證實了通過一步電化學(xué)方法制備的功能化石墨烯具有巨大應(yīng)

用價值。創(chuàng)新點四:本研究選用球磨法制備的石墨烯作為碳源前驅(qū)體通過一步水熱法成功制備出了分散性良好、平均尺寸為4.8nm的石墨烯量子點。該方法具有綠色環(huán)保工藝簡單成本低等優(yōu)勢所制備的石墨烯量子點可用于自