一种磁性石墨烯制备工艺及设备的制作方法

本发明涉及碳素材料制备技术领域，具体涉及一种磁性石墨烯制备工艺及设备。

背景技术：

在2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯(Graphene)。石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。只有一个碳原子厚度的二维材料，其具有独特的结构和光电性能受到了人们广泛的重视，其是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它大的表面积比，优良的透明、导电、导热等性能被认为是理想的材料，其可以应用于制造透明触控屏幕、光板、超级电容、电池、甚至是太阳能电池。

公开号为CN103130211A的中国专利公开了一种石墨烯的制备方法，包括以下步骤：将石墨粉加入到溶解有并苯稠环类芳烃衍生物的非水极性溶剂形成混合体系；对所述混合体系进行震荡、洗涤、离心和过滤得到石墨烯溶液；进一步地，得到所述的混合体系后，步骤如下：将所述混合体系以100～2500瓦的超声波震荡0.1～24小时，得到第一次震荡混合体系；向所述第一次震荡混合体系中加入1～2000毫升的水，然后以100～2500瓦的震荡功率震荡1～200小时，得到第二次震荡混合体系；将所述第二次震荡混合体系静置1～96小时，去除上层清液，并补水至原有体积，再用100～2500瓦的超声波震荡0.5～24小时，得第三次震荡混合体系；在得到第三次震荡混合体系后，步骤如下：在500～20000转的速率下将所述第三次震荡混合体系离心1～100分钟，去除上层清液，并用水补充剩余混合体系至原有体积，再用100～2500瓦的超声波震荡，重复离心、补水和震荡2～20次，经过滤得到石墨烯水溶液。该石墨烯制备工艺复杂，生产成本高。

现有的磁性石墨烯的制备方法均是通过参杂方式制备，造成石墨烯缺陷等问题，因此找到一种大量高效生产高纯度的磁性石墨烯的制备方法是个急需解决的问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提出一种生产工艺简单、经济环保的磁性石墨烯制备工艺及设备。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种磁性石墨烯制备工艺，至少包括以下步骤：

S01：将石墨颗粒与溶剂置入搅拌设备中，通过搅拌设备对石墨颗粒进行搅拌，使石墨颗粒在搅拌设备的剪切力作用下形成毫米级石墨烯，以及使石墨烯从搅拌设备的分叶齿片剥离，形成石墨烯片与溶剂的胶态分散体；

S02：将上述石墨烯片与胶态分散体经过离心操作，去除未剥离的石墨烯及团聚的石墨烯沉淀，收集石墨烯片悬浮液；

S03：将上述石墨烯片悬浮液或石墨烯液在搅拌设备的磁场环境中，在搅拌设备搅拌力的作用下旋转产生电位差，使石墨烯之间、石墨烯与溶剂之间相互作用，克服石墨烯片层间的范德华力，同时，石墨烯在磁场环境中磁化，即形成磁性石墨烯；

其中，所述石墨烯液是指将石墨烯直接放入溶剂中形成的溶液；

S04：将上述悬浮液经过过滤、洗涤、干燥后得到磁性石墨烯。

进一步地，所述溶剂采用水、有机溶剂乙醇、甲酰胺、丙酮、四氢呋喃、四甲基脲、N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯酮中的一种或几种。

进一步地，所述搅拌设备的转速为3000-20000r/min，其搅拌时间为6-20h。

进一步地，所述洗涤是采用水、乙醇、丙酮中的一种或几种对悬浮液进行反复洗涤。

进一步地，所述干燥时的干燥温度为50-80℃，干燥时间为3-20h。

进一步地，所述磁场环境的磁场强度为0.2-1.0T。

本发明还提出一种磁性石墨烯制备设备，包括：

搅拌设备，所述搅拌设备通过设置于其内部的电机驱动搅拌叶片工作；以及包括

分叶齿片，所述分叶齿片设置于电机的输出轴上、且位于所述搅拌叶片的上方；

容器，所述容器用于盛放溶剂、石墨烯；以及在所述容器周围布置用于形成磁场环境的磁场发生装置。

进一步地，所述搅拌设备包括用于调节高度的伸缩支架，还包括用于控制搅拌设备的控制集成电路装置及屏显装置。

进一步地，所述搅拌设备连接有进料管及出料管，其中，所述出料管连接离心设备，且出料管的管路上设有过滤装置，以及用于收集过滤装置过滤物的回收管。

进一步地，所述搅拌设备的容器内壁、搅拌叶片、分叶齿片采用绝缘材料制成。所述绝缘材料如绝缘塑料。

本发明所述磁性石墨烯制备工艺通过毫米级石墨烯，在搅拌力作用下从搅拌设备的分叶齿片上剥离，形成的石墨烯和溶剂的胶态分散体，将石墨烯片和溶剂的胶态分散体离心，去除未剥离的石墨烯及团聚石墨烯沉淀，收集石墨烯片悬浮液，石墨烯片在磁场环境中产生电位差，并使石墨烯之间、石墨烯和溶剂之间在磁场环境中电位差的作用下快速结合，克服石墨烯片层之间的范德华力，同时石墨烯在磁场作用下磁化，形成磁性石墨烯，最后通过过滤、洗涤，有效去除石墨烯表面附着的有机物和离子等杂质，对石墨烯产物干燥，去除石墨烯产物中的水分和残留的溶剂及石墨烯表面附着的有机物和离子等杂质，从而分离出高面积比和高纯度的磁性石墨烯。

与现有技术相比，本发明的优越效果在于：所述磁性石墨烯制备工艺简单，操作性强，适用于工业化生产，提高了磁性石墨烯生产效率，降低了生产成本，最终有效解决了磁性石墨烯的高面积比和纯度的问题。另外，采用本发明所述制备工艺的磁性石墨烯在不改变石墨烯的特性的基础上，具备磁性，能广泛应用于生物医学、生物传感、电子信息、能源、存储和航空领域。

附图说明

图1为本发明所述磁性石墨烯制备工艺流程图；

图2为本发明所述磁性石墨烯制备设备实施例的结构示意图。

附图标记说明如下：

1-电机、2-搅拌叶片、3-分叶齿片、4-容器、5-N极、6-S极、7-伸缩支架、8-控制集成电路装置及屏显装置、9-壳体、10-密封圈、11-伸缩支架的上半部。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实际例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明磁性石墨烯制备工艺，包括以下步骤：

S01：将石墨颗粒与溶剂置入搅拌设备中，通过搅拌设备对石墨颗粒进行搅拌，使石墨颗粒在搅拌设备的剪切力作用下形成毫米级石墨烯，以及使石墨烯从搅拌设备的分叶齿片3剥离，形成石墨烯片与溶剂的胶态分散体；

其中，所述搅拌设备的转速为3000-20000r/min，其搅拌时间为6-20h；所述溶剂采用水、有机溶剂乙醇、甲酰胺、丙酮、四氢呋喃、四甲基脲、N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯酮中的一种或几种。

S02：将上述石墨烯片与胶态分散体经过离心操作，去除未剥离的石墨烯及团聚的石墨烯沉淀，收集石墨烯片悬浮液；

S03：将上述石墨烯片悬浮液或石墨烯液在搅拌设备的磁场环境中；在搅拌设备搅拌力的作用下旋转产生电位差，使石墨烯之间、石墨烯与溶剂之间相互作用，克服石墨烯片层之间的范德华力，同时，石墨烯在磁场环境中磁化，即形成磁性石墨烯；其中，所述磁场环境的磁场强度为0.2-1.0T；所述石墨烯液是指将石墨烯直接放入溶剂中形成的溶液。

S04：将上述悬浮液经过过滤、洗涤、干燥后得到磁性石墨烯；其中，所述洗涤是采用水、乙醇、丙酮中的一种或几种对悬浮液进行反复洗涤，所述干燥时的干燥温度为50-80℃，干燥时间为3-20h。

如图2所示，本发明提出一种磁性石墨烯制备设备，包括：

搅拌设备，所述搅拌设备通过设置于其内部的电机1驱动搅拌叶片2工作；以及包括分叶齿片3，所述分叶齿片3设置于电机1的输出轴上、且位于所述搅拌叶片2的上方；

还包括容器4，所述容器4用于盛放溶剂、石墨烯；以及在所述容器4周围布置用于形成磁场环境的磁场发生装置；具体地，本实施例中所述磁场发生装置为：N极5、S极6，通过N极5和S极6形成磁场环境。

在本实施例中，所述搅拌设备包括用于调节高度的伸缩支架7，还包括用于控制搅拌设备的控制集成电路装置及屏显装置8；具体地，所述控制集成电路及屏显装置8可用于控制伸缩支架7的升降，还可用于控制电机1的启动及停止；当然在所述控制集成电路及屏显装置8上还能显示当前电机1的转速。在具体操作时，所述控制集成电路及屏显装置8设置于电机1输出轴一侧的壳体9上，壳体9的下端设有用于固定容器4的密封圈10，所述密封圈10的内径略大于容器4的外径，本实施例中，所述密封圈10的内径与容器4的外径的差为0.2mm。本发明所述搅拌设备的伸缩支架7也可通过电机驱动，本实施例中，采用电机驱动齿轮(图中未示)，所述齿轮与齿条(图中未示)啮合，而齿条设置于伸缩支架的上半部11内侧，通过电机驱动，电机的输出端连接齿轮，通过齿轮顺时针或逆时针旋转，实现与其啮合的齿条上升或下降，进而实现伸缩支架7的上下升降。

另外，本发明中，所述搅拌设备连接有进料管及出料管(图中未示)，其中，所述出料管连接离心设备(图中未示)，且出料管的管路上设有过滤装置(图中未示)，以及用于收集过滤装置过滤物的回收管。

实施例1

本发明所述一种磁性石墨烯制备工艺，包括以下步骤：取100g石墨颗粒置入容器4中；将乙醇和石墨颗粒放入所述容器4中，经过搅拌设备6h搅拌后，形成石墨烯和溶剂的胶态分散体；胶态分散体经过离心1分钟，转速为500r/min，离心后去除团聚石墨烯沉淀，收集悬浮液；将所述悬浮液置入施加5/6磁场的容器4中搅拌2h后过滤，采用98％的乙醇溶液进行5次反复洗涤，然后在温度为80℃的真空环境干燥5小时得到含有石墨烯的固体；得到高面积比、高纯度的磁性石墨烯产物。

经检测，本实施例采用石墨烯制备工艺得到的石墨烯中碳含量高达96％。

实施例2

本发明所述一种磁性石墨烯制备工艺，包括以下步骤：取100g石墨颗粒置入容器4中，采用丙酮溶液，将所述石墨颗粒放入容器4中，经过搅拌设备6小时搅拌后，形成磁性石墨烯和溶剂的胶态分散体；所述胶态分散体经过离心1分钟，转速为500r/min，离心后去除团聚石墨烯沉淀，收集悬浮液；将所述悬浮液置入施加5/6磁场的容器4中搅拌2h后过滤，采用水进行5次反复洗涤，然后在80℃的真空环境干燥3小时后得到含有石墨烯的固体；得到高面积比、高纯度的磁性石墨烯产物。

经检测，本实施例采用石墨烯制备工艺得到的石墨烯中碳含量高达95％。

实施例3

本发明所述一种新型石墨烯制备工艺，包括以下步骤：取100g石墨颗粒置入容器4中，采用强度为0.5T的磁铁，采用98％的乙醇溶液；将所述电解液和石墨颗粒放入容器4中，经过搅拌设备6小时搅拌后，形成石墨烯和溶剂的胶态分散体；将所述胶态分散体经过离心1分钟，转速为500r/min，离心后去除团聚石墨烯沉淀，收集悬浮液；将所述悬浮液置入施加5/6磁场的容器4中搅拌2h后过滤，采用95％的乙醇溶液进行5次反复洗涤，然后在80℃的真空环境干燥3小时后得到含有石墨烯的固体；得到高面积比、高纯度的磁性石墨烯产物。

经检测，本实施例采用石墨烯制备工艺得到的石墨烯中碳含量高达95％。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。