专利名称：一种低成本沥青基石墨烯片及其制备方法
技术领域：
本发明属于碳素材料领域，具体涉及一种低成本浙青基石墨烯片及其制备方法。
背景技术：
石墨烯片是一种只有单层或几层原子厚度的纯碳原子结构，其C-C键以Sp2结合，形成一个密集的蜂窝状晶格结构。由于它具有的独特的二维碳纳米微观结构以及优异的物理属性，因而其在物理学、材料学以及凝聚态物理等领域引起了人们的广泛兴趣。目前以石墨烯片为基础的材料有着广泛的工业应用范围，如可用作吸附剂、药物输送、催化剂载体，热传输媒体，可制成具有精细结构的电子元件。特别地，随着碳材料性能的不断改进，使其逐渐成为能源领域的主导，如在对存储设备要求高的氢储存、燃料电池、太阳能电池以及锂离子电池、电容器等方面应用广泛。虽然石墨烯片的应用广泛，但它的许多应用亟需实现大规模、可重复地制备结构规整、厚度和尺寸可控的高质量石墨烯材料。目前用来制备石墨烯片的原料主要有两大类:鳞片石墨和富碳材料。制备石墨烯片的方法主要有机械方法以及化学方法两大类型，如微机械分离法，取向附生法、SiC或金属基板上外延生长、化学还原法与化学解理法、化学气相沉积法等。然而，上述方法制备石墨烯片存在工艺复杂、成本高、环境污染等问题，并且难以大量制备出石墨烯片，这极大阻碍石墨烯片的推广和应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本浙青基石墨烯片及其制备方法，本发明的产品纯度高，结构缺陷少、制备成本低、操作简单、易实现产业化。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种低成本浙青基石墨烯片的制备方法包括原料的混合、炭化、酸洗、球磨工艺，包括以下步骤:
(1)原料的混合
将浙青与添加剂按一定比例称取，充分研磨后过筛；所用浙青为煤浙青、石油浙青、渣油浙青、合成浙青或中间相浙青，所用添加剂为铁粉、铜粉、硅粉、铝粉、氧化铝、氧化镁、氧化铁、二茂铁、氧化钙或氧化铜；混合工艺参数为:
原料粒度:60-300目
浙青与添加剂的质量比为100:1 100:100 添加剂的纯度:大于99% ；
(2)低温炭化
将步骤(1)混合好的原料放入气氛炉中，然后以一定的升温速率升温至预定温度后保持一段时间，冷却至室温取出；低温炭化工艺参数为:
升温速率:2V /min -1OO0C /min 预定温度:400°C -1OOO0C保温时间:0.1h -1Oh 保护气氛:N2或者Ar 气体流量:50 ml ,/mi n - 200 ml ,/mi n ；
(3)高温炭化
将步骤(2)所得到的产物放入真空炉中，然后以一定的升温速率升温至预定温度后保持一段时间，冷却至室温取出；高温炭化工艺参数为:
升温速率:2°C /min - 50°C /min 温度:1200°C - 2000°C 保温时间:0.1 h - 10 h 真空度:1.0X KT1 Pa -1.0X IO3 Pa ；
(4)酸洗
将步骤(3)所得炭化产物置于一定pH值的酸液中并搅拌一段时间，经过滤分离后用去离子水充分洗涤至无Cl—或者F—检测出，然后放入120°C烘箱中进行干燥5 h ;酸洗工艺参数为:
酸液:盐酸或氢氟酸 pH 值:1 -5
炭化产物与酸液的质量比:1:3 1:10 搅拌时间:1 - 5h 搅拌速度:50 - 500转/分；
(5)球磨
将步骤(4)所得产物放入球磨机中进行球磨处理；球磨工艺参数为:
球磨时间:0.5 -1Oh 球磨转速:50 - 500转/分。
本发明的显著优点在于:本发明的产品纯度高，结构缺陷少、制备成本低、操作简单、易实现产业化。
图1为采用实施例1工艺制备的石墨烯片的场发射扫描电镜图片。图2为采用实施例2工艺制备的石墨烯片的场发射扫描电镜图片。图3为采用实施例3工艺制备的石墨烯片的场发射扫描电镜图片。图4为采用实施例4工艺制备的石墨烯片的场发射扫描电镜图片。图5为采用实施例5工艺制备的石墨烯片的场发射扫描电镜图片。
具体实施例方式实施例1
将煤浙青与二茂铁按100:1(质量比)称取，研磨至60目后放入气氛炉中，并通入N2(N2流量为100mL/min)，以2V /min升温至700°C后保温5h，冷却至室温取出低温炭化产物。将低温炭化产物放入真空炉中(真空度1.0X IO3Pa),以50°C /min升温至1900°C后保温2h，冷却至室温取出高温炭化产物。将高温炭化产物置于pH值为I的盐酸中(炭化产物与盐酸的质量比1:3)，搅拌Ih(搅拌速度50转/分)，经过滤分离后用去离子水充分洗涤至无Cl 一检测出，置于120°C烘箱中进行干燥5 h，然后放入球磨机中球磨5h (球磨转速200转/分)，即获得石墨烯片。所制备的石墨烯片具有如下性能:层数为10 20、含碳量98.5%、比表面积 26m2/g。实施例2
将中间相浙青与氧化铝按100:100 (质量比)称取，研磨至100目后放入气氛炉中，并通入Ar (Ar流量为50mL/min)，以5°C /min升温至1000°C后保温0.lh，冷却至室温取出低温炭化产物。将低温炭化产物放入真空炉中(真空度1.0X I(T1Pa),以20°C /min升温至2000°C后保温0.lh，冷却至室温取出高温炭化产物。将高温炭化产物置于pH值为3的盐酸中(炭化产物与盐酸的质量比1:5)，搅拌4h (搅拌速度200转/分)，经过滤分离后用去离子水充分洗涤至无Cl —检测出，置于120°C烘箱中进行干燥5 h，然后放入球磨机中球磨2h(球磨转速400转/分)，即获得石墨烯片。所制备的石墨烯片具有如下性能:层数为10 15、含碳量99.5% >比表面积120m2/g。实施例3
将石油浙青与铝粉按100:10 (质量比)称取，研磨至300目后放入气氛炉中，并通入Ar (Ar流量为200mL/min)，以100°C /min升温至800°C后保温5h，冷却至室温取出低温炭化产物。将低温炭化产物放入真空炉中(真空度1.0X KT1 Pa)，以2V /min升温至1800°C后保温lh，冷却至室温取出高温炭化产物。将高温炭化产物置于pH值为2的盐酸中(炭化产物与盐酸的质量比1:3)，搅拌处(搅拌速度150转/分)，经过滤分离后用去离子水充分洗涤至无Cl—检测出，置于120°C烘箱中进行干燥5 h，然后放入球磨机中球磨IOh (球磨转速500转/分)，即获得石墨烯片。所制备的石墨烯片具有如下性能:层数为5 10、含碳量99.0%、比表面积192m2/g。实施例4
将渣油浙青与氧化镁按100:80(质量比)称取，研磨至80目后放入气氛炉中，并通入N2(N2流量为200mL/min)，以2°C /min升温至400°C后保温10h，冷却至室温取出低温炭化产物。将低温炭化产物放入真空炉中(真空度1.0X IO2Pa),以10°C /min升温至1500°C后保温5h，冷却至室温取出高温炭化产物。将高温炭化产物置于pH值为4的盐酸中(炭化产物与盐酸的质量比1:5)，并搅拌51!(转速300转/分)，经过滤分离后用去离子水充分洗涤至无Cl—检测出，置于120°C烘箱中进行干燥5 h，然后放入球磨机中球磨5h(球磨转速500转/分)，即获得石墨烯片。所制备的石墨烯片具有如下性能:层数为8 12、含碳量99.0%、比表面积156m2/g。实施例5
将合成浙青与硅粉按100:50 (质量比)称取，研磨至300目后放入气氛炉中，并通入N2(N2流量为100mL/min)，以5°C /min升温至800°C后保温lh，冷却至室温取出低温炭化产物。将低温炭化产物放入真空炉中(真空度1.0X 10 —1Pa),以5°C /min升温至1800°C后保温4h，冷却至室温取出 高温炭化产物。将高温炭化产物置于pH值为I的氢氟酸中(炭化产物与氢氟酸的质量比1:5)，并搅拌Ih (搅拌速度500转/分)，经过滤分离后用去离子水充分洗涤至无F—检测出，置于120°C烘箱中进行干燥5h，然后放入球磨机中球磨5h (球磨转速250转/分)，即获得石墨烯片。所制备的石墨烯片具有如下性能:层数为5 10、含碳量95%、比表面积260m2/g。 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种低成本浙青基石墨烯片的制备方法，其特征在于:包括原料的混合、炭化、酸洗、球磨工艺。
2.根据权利要求1所述的低成本浙青基石墨烯片的制备方法，其特征在于:包括以下步骤: (1)原料的混合 将浙青与添加剂按一定比例称取，充分研磨后过筛；所用浙青为煤浙青、石油浙青、渣油浙青、合成浙青或中间相浙青，所用添加剂为铁粉、铜粉、硅粉、铝粉、氧化铝、氧化镁、氧化铁、二茂铁、氧化钙或氧化铜；混合工艺参数为: 原料粒度:60-300目 浙青与添加剂的质量比为100:1 100:100 添加剂的纯度:大于99% ; (2)低温炭化 将步骤(I)混合好的原料放入气氛炉中，然后以一定的升温速率升温至预定温度后保持一段时间，冷却至室温取出；低温炭化工艺参数为: 升温速率:2°C /min -1OO0C /min 预定温度:400°C -1OOO0C 保温时间:0.1h -1Oh 保护气氛:N2或者Ar 气体流量:50 ml ,/mi n - 200 ml ,/mi n ；` (3)高温炭化 将步骤(2)所得到的产物放入真空炉中，然后以一定的升温速率升温至预定温度后保持一段时间，冷却至室温取出；高温炭化工艺参数为: 升温速率:2°C /min - 50°C /min 温度:1200°C - 2000°C 保温时间:0.1 h - 10 h 真空度:1.0X KT1 Pa -1.0X IO3 Pa ； (4)酸洗 将步骤(3)所得炭化产物置于一定pH值的酸液中并搅拌一段时间，经过滤分离后用去离子水充分洗涤至无Cl—或者F—检测出，然后放入120°C烘箱中进行干燥5 h ;酸洗工艺参数为: 酸液:盐酸或氢氟酸 pH 值:1 -5 炭化产物与酸液的质量比:1:3 1:10 搅拌时间:1 - 5h 搅拌速度:50 - 500转/分； (5)球磨 将步骤(4)所得产物放入球磨机中进行球磨处理；球磨工艺参数为: 球磨时间:0.5 -1Oh 球磨转速:50 - 500转/分。
3.—种如 权利要求1所述的方法制得的低成本浙青基石墨烯片。
全文摘要
本发明公开了一种低成本沥青基石墨烯片及其制备方法，属于碳素材料领域。本发明以沥青和添加剂为原料，经过混合、炭化、酸洗、球磨等工艺制备石墨烯片。本发明的产品纯度高，结构缺陷少、制备成本低、操作简单、易实现产业化。
文档编号C01B31/04GK103072982SQ201310062598
公开日2013年5月1日 申请日期2013年2月28日 优先权日2013年2月28日
发明者林起浪 申请人:福州大学