一种制备石墨烯的方法与流程

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体涉及一种石墨烯的制备，主要用于合成石墨烯。

背景技术：

石墨烯自2004年被发现以来，由于其优异的热学性能、力学性能、电学性能、机械性能和其他性能受到人们的广泛关注，其中单层石墨烯的理论比表面积达到2650m²/g，导热系数达到5300w/m·k，室温下电子迁移率达到15000cm²/v·s，被全世界的科研工作者广泛研究，石墨烯材料被应用在晶体管、锂电池、超级电容器、传感器、光电器件、水污染处理、柔性显示器等，均具有巨大的潜在研究和应用价值。

随着人们研究的深入，各种各样的制备方法也随之被人们开发出来，其中比较具有代表性的有微机械剥离、氧化还原法、化学气相沉积法、外延生长法、化学合成法等。其中微机械剥离法是用胶带反复粘结、剥离高度定向热解石墨，再转移到基底材料表面上，这种方法操作复杂，产量极低，不利于推广和应用；氧化还原法石墨烯容易有结构缺陷、耗时长、所用有机溶剂毒性大、安全性低；化学气相沉积法对设备要求高、工艺复杂且难以控制，成本太高；外延生长法单晶sic价格昂贵，制备条件苟刻，需要在高温高真空下进行，从基底转移困难；相比之下，化学合成法反应步骤复杂、费力耗时，催化剂会污染环境，且合成的石墨烯容易有结构缺陷，不利于大规模生产。然而，人们一直致力于找到一种操作简单、无环境污染、生产成本低、可大规模生产的方法，以实现石墨烯的工业化生产和应用。

science与2004年306期666-669页报道了单层碳薄膜的电场效应，文章中初次报道了石墨烯这种现在举世瞩目的材料，制备方法是用胶带反复粘结、剥离高度定向热解石墨，再转移到基底材料表面上，首次得到了单层石墨烯。中国发明专利cn104386684b提出了一种制备石墨烯的新方法，即将农林废弃物、茶叶和海藻类植物中的一种或几种生物质进行预处理清洗干净，然后加入金属催化剂、溶剂在生物质上负载金属催化剂，再加入造孔剂高温碳化得到石墨烯。这种方法得到的石墨烯由于原料结构不确定而且原料不同，产物变化较大，不能得到确定结构和性质的石墨烯。中国发明专利cn102701193b提出了采用湿法制备和干法制备两种方法，将碳素材料、磁性钢针研磨体和溶剂，放入研磨容器中，密闭；将容器置入具有变换磁场的空间内，进行剥离，剥离后制得石墨纳米微片-石墨烯的混合物，分离得到石墨烯。该方法得到的石墨烯不纯分离不方便，而且制备过程耗时较长，对设备要求较高。

综上所述，制备石墨烯的方法很少，能够生产的就更加稀少，寻找操作简单，性能稳定，可批量生产石墨烯的方法仍是巨大挑战。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种新的在温和条件下制备石墨烯材料的方法，该方法步骤简单，操作方便，对环境友好，利于工业化生产。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种制备石墨烯的方法，该方法包括如下步骤：

1）将糖类和金属硝酸盐水合物溶解于去离子水溶剂中，然后于150－300℃水热反应0.1－3h，反应结束得到蓬松的固体产物，碾压成粉末得到模板碳材料，其中，糖类和金属硝酸盐水合物的质量比为0.1－2：0.5－3；

2）将模板碳材料在惰性气体氛围（如n2环境）下于300－1000℃碳化1－6h，得到石墨烯材料，然后用酸溶液浸泡除去模板，经洗涤、干燥即得到石墨烯。

具体的，步骤1）中，所述糖类为乳糖、麦芽糖、半乳糖和蔗糖中的一种或两种以上的混合物。

具体的，步骤1）中，所述金属硝酸盐水合物为六水合硝酸锌、六水合硝酸镍、六水合硝酸钴和六水合硝酸镁中的一种或两种以上的混合物。

进一步的，步骤2）中，浸泡时所用酸溶液优选为浓度5－15%的稀盐酸、稀硫酸和稀硝酸中的任意一种或两种以上的混合物，浸泡时间为2－8h。

和现有技术相比，本发明的有益成果如下：

1）本发明中制备石墨烯的碳源首次选用乳糖、麦芽糖、半乳糖、蔗糖等糖类；

2）本发明制备石墨烯的工艺较为简单，可重复性强、得到产物较多、反应条件容易达到，对设备要求低，在很大程度上降低生产成本；

3）采用本发明方法制备所得的石墨烯是一种三维片层多孔洞石墨烯材料，且具有较好的热稳定性和水溶性，产量较高，容易工业化批量生产。

附图说明：

图1是实施例1水热反应前溶液和得到的最终产物的照片；

图2是实施例1制备得到的石墨烯的傅里叶变换红外光谱图；

图3是实施例1制备得到的石墨烯的拉曼光谱图；

图4是实施例1制备得到的石墨烯的扫描电镜图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。

实施例1

一种制备石墨烯的方法，具体为：将0.5g乳糖和1.0g六水合硝酸锌在100ml的烧杯中超声条件下均匀分散到5ml的去离子水溶剂中，保证完全溶解，溶液澄清透明；将烧杯转移到烘箱中于220℃水热反应0.5h，反应结束得到蓬松的固体产物，碾压成粉末得到模板碳材料。将模板碳材料在n2环境下600℃碳化2h，得到石墨烯材料，再用10%稀盐酸浸泡6h以除去模板，分别用乙醇、去离子水清洗，离心收集，干燥12h，即得到最终的0.1g石墨烯。

图1是实施例1水热反应前后对比照片，图中可以明显看出：产物是固体粉末样，样品均一性良好，样品量较大。

图2是实施例1制备得到的石墨烯的傅里叶变换红外光谱图，图中3430cm^-1对应的是-nh-键的共振吸收峰，1614cm^-1对应的谱带是c-n的共吸收峰，1400cm^-1和1264cm^-1对应的谱带是芳香环的共振吸收峰，波谱分析说明制备所得的样品是氮掺杂的碳材料。

图3实施例1制备得到的石墨烯拉曼光谱图，拉曼光谱主要有三个峰，g峰1584.58cm^-1和2d峰2800cm^-1显示了材料石墨烯结构的特点，d峰为1352.59cm^-1表明样品是多缺陷的石墨烯，id/ig=0.921也证明了这一点。拉曼表明样品为多缺陷的石墨烯材料。

图4是实施例1制备得到的石墨烯材料的扫描样，可以看出样品结构为三维多孔片层材料。

实施例2

一种制备石墨烯的方法，具体为：将0.5g麦芽糖和1.5g六水合硝酸锌在100ml的烧杯中超声条件下均匀分散到5ml的去离子水溶剂中，保证完全溶解，溶液澄清透明；将烧杯转移到烘箱中220℃水热反应0.5h，反应结束得到蓬松的固体产物，碾压成粉末得到模板碳材料。将模板碳材料在n2环境下600℃碳化2h，得到石墨烯材料，再用10%稀硫酸浸泡6h，分别用乙醇、去离子水清洗、离心收集、干燥12h，即得到最终的0.1g石墨烯。

实施例3

一种制备石墨烯的方法，具体为：将1.2g半乳糖和1.8g六水合硝酸镍在500ml的烧杯中超声条件下均匀分散到20ml的去离子水溶剂中，保证完全溶解，溶液澄清透明；将烧杯转移到烘箱中260℃水热反应1h，反应结束得到蓬松的固体产物，碾压成粉末得到模板碳材料。将模板碳材料在n2环境下800℃碳化1h，得到石墨烯材料，再用15%稀硝酸浸泡8h，分别用乙醇、去离子水清洗、离心收集、干燥18h，即得到最终的0.24g石墨烯。

实施例4

一种制备石墨烯的方法，具体为：将2g蔗糖和2.5g六水合硝酸钴在500ml的烧杯中超声条件下均匀分散到20ml的去离子水溶剂中，保证完全溶解，溶液澄清透明；将烧杯转移到烘箱中280℃水热反应3h，反应结束得到蓬松的固体产物，碾压成粉末得到模板碳材料。将模板碳材料在n2环境下400℃碳化4h，得到石墨烯材料，再用15%稀硝酸浸泡3h，分别用乙醇、去离子水清洗、离心收集、干燥8h，即得到最终的0.4g石墨烯。

实施例5

一种制备石墨烯的方法，具体为：将0.2g乳糖和0.8g六水合硝酸镁在100ml的烧杯中超声条件下均匀分散到5ml的去离子水溶剂中，保证完全溶解，溶液澄清透明；将烧杯转移到烘箱中240℃水热反应2h，反应结束得到蓬松的固体产物，碾压成粉末得到模板碳材料。将模板碳材料在n2环境下600℃碳化3h，得到石墨烯材料，再用15%稀盐酸浸泡6h，分别用乙醇、去离子水清洗、离心收集、干燥12h，即得到最终的0.04g石墨烯。

实施例6

一种制备石墨烯的方法，具体为：将1.0g乳糖和3g六水合硝酸锌在200ml的烧杯中超声条件下均匀分散到10ml的去离子水溶剂中，保证完全溶解，溶液澄清透明；将烧杯转移到烘箱中240℃水热反应1h，反应结束得到蓬松的固体产物，碾压成粉末得到模板碳材料。将模板碳材料在n2环境下600℃碳化31h，得到石墨烯材料，再用15%稀硝酸浸泡6h，分别用乙醇、去离子水清洗、离心收集、干燥12h，即得到最终的0.2g石墨烯。