技术领域
本发明涉及碳材料技术领域，特别涉及一种制备石墨烯的方法。
背景技术：
石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构材料，因其高强度、高热导率、高导电性及高比表面积等优点受到了研究者的广泛重视。目前制备石墨烯的方法主要有：微机械剥离法、氧化还原化学剥离法、溶剂热法、晶体表面外延生长法、SiC表面石墨化法、化学气相沉积法等，然而，现有方法都有无法大规模生产的缺点，最常用的溶剂热法采用天然石墨、高锰酸钾，浓硫酸和浓硝酸制备石墨烯，具有成本高，后处理工艺复杂且易造成环境污染的问题。因此，寻找一种具有工艺简单、价格低廉、容易实现工业化大规模生产等优点的石墨烯制备方法成为了该领域的研究热点
技术实现要素：
。
与CO2反应【CO2(g)+2Mg(l)→C(s)+2MgO(s)】可释放出大量的热，摩尔吉布斯自由能为680kJ/mol，具备强烈的自发进行的倾向。因此将CO2气体转化为各种碳材料（如石墨烯、碳纳米管等）是近年来逐渐成长的新方法。在申请公布号为CN 103332681B的专利中报道了一种以金属镁粉在高温炉中还原流动的CO2气体来制备石墨烯的方法。该专利以金属镁粉为还原剂，纳米氧化镁为模板剂，通过镁粉在CO2气氛中自蔓延燃烧方式，成功制备出富含介孔结构的石墨烯。体系中的MgO不仅充当模板剂促进石墨烯的生长，同时MgO均匀地分散在石墨烯片层之间，也能起到阻止石墨烯团聚的作用。该方法的制备成本主要来源于价格较高的还原剂镁。然而，以CO2气体与镁反应来制备石墨烯，两个镁原子才置换出一个碳原子，其制作成本较高；同时，以反应生成的MgO做模板剂，制得的石墨烯的纯度较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备石墨烯的方法，过程简单、设备要求低、成本相对较低、且能够规模化制备石墨烯，制得的石墨烯纯度较高。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种制备石墨烯的方法，包括以下步骤：
（1）将金属粉末与氧化镁混合，并置于高温炉体中，在氮气或惰性气体气氛中以5-20℃/min的升温速率升至650-1000℃；
（2）向所述高温炉体中输入CO气体进行反应，反应开始后，降低所述高温炉体中的气压，反应完成后，停止CO气体的输入，在氮气或惰性气体气氛中冷却至室温，得到黑色粉末；
（3）用浓度为0.1-8mol/L的酸溶液浸泡所述黑色粉末，反应1-24h；然后用去离子水充分洗涤至中性，冷冻干燥8-24h，即得到石墨烯。
优选地，在步骤（2）中，反应开始后，所述高温炉体中的气压为0.05-0.099兆帕。
优选地，在步骤（2）中，反应开始后，经过5-300min后停止CO气体的输入。
优选地，在步骤（1）中，所述金属粉末由镁粉、铝粉、锂粉中的一种或一种以上组成。
优选地，在步骤（1）中，所述氧化镁的颗粒粒径为0.05-5微米。
优选地，在步骤（1）中，所述金属粉末与所述氧化镁的质量比为1：1-15。
优选地，在步骤（1）中，将所述金属粉末与所述氧化镁在氮气或惰性气体气氛中研磨0.5-3h，混合均匀后再放入所述高温炉体中。
优选地，在步骤（3）中，所述酸溶液由硫酸、硝酸、盐酸、磷酸、有机酸中的一种或一种以上组成。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明一种制备石墨烯的方法，用CO气体代替CO2气体与镁反应来制备石墨烯【CO(g)+Mg(l)→C(s)+MgO(s)】，使镁的利用率翻倍，成本大大降低，该反应的摩尔吉布斯自由能为432kJ/mol，也具备强烈的自发进行的倾向，反应物的温度升得更高，更有利于提高制得的石墨烯的电导率；通过在Mg与CO2反应前，加入氧化镁颗粒，氧化镁颗粒作为催化剂，使得反应只能生成石墨烯，使制得的石墨烯的纯度较高；
该方法与制得的石墨烯还具有下列优点：
与采用高压CO2等气体为碳源的方法相比，本发明所用的设备简单而低廉，安全性高，反应过程较为温和，反应物的温升易于调节；
与传统化学气相沉积和化学剥离法等石墨烯制备方法相比，本发明制备工艺简单、成本低廉、重现性好、易于应用；
制得的石墨烯材料具有很高的比表面，比表面积可达600-1500m2/g；
制得的石墨烯是超级电容器的优良电极材料；而且电导率高于5000S/m，能够用作锂离子电池、锂空气电池以及其它电池的导电材料。
附图说明
附图1为实施例1所制得的石墨烯的透射电镜照片；
附图2为实施例1所制得的石墨烯的氮气吸脱附和孔径分布曲线。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
实施例1
将金属镁与氧化镁颗粒以1:8的质量比在氮气的保护下研磨2h，然后将所得混合物置于高温炉体中，在氩气保护气氛下以5℃/min的升温速率升至750℃，引入的CO气体在高温炉体中反应掉立即形成负压并不断吸入CO气体，保持反应时高温炉体中的气压为0.055兆帕。反应200min后停止输入CO气流。在氩气气氛中冷却至室温，得到黑色粉末；将黑色粉末与浓度为1mol/L的盐酸溶液反应12h，然后用去离子水充分洗涤至中性，烘干，即得到石墨烯。
图1为制得的石墨烯的透射电镜照片，证实该材料具有非常发达的介孔-大孔层次多孔结构，孔径为20-100nm。
图2的左图为等温吸脱附曲线图，从该图可知：1、样品的吸附曲线起始时呈I型；在低压端气体吸附量增速不明显，说明微孔存在不多。2、在中高压端都有不同特征的滞后环，属于H3型，为片状堆积的狭缝孔。
图2的右图为孔径分布曲线图，从该图可知：最可几孔径在1.5nm和10nm，主要分布在大微孔和介孔集中。
实施例2
将金属镁与氧化镁颗粒以1:10的质量比在氮气的保护下研磨2h，然后将所得混合物置于高温炉体中，在氩气保护气氛下以5℃/min的升温速率升至750℃，引入的CO气体在高温炉体中反应掉立即形成负压并不断吸入CO气体，保持反应时高温炉体中的气压为0.055兆帕。反应200min后停止输入CO气流。在氩气气氛中冷却至室温，得到黑色粉末；将黑色粉末与浓度为1mol/L的硫酸溶液反应20h，然后用去离子水充分洗涤至中性，冷冻干燥8-24h，即得到石墨烯。
该石墨烯即为层次多孔碳材料。根据氮气吸脱附等温线计算得到该多孔碳材料的比表面积为803m2/g，孔容为0.53cm3/g。
实施例3
将金属镁与氧化镁颗粒以1:12的质量比在氮气的保护下研磨2h，然后将所得混合物置于高温炉体中，在氩气保护气氛下以5℃/min的升温速率升至750℃，引入的CO气体在高温炉体中反应掉立即形成负压并不断吸入CO气体，保持反应时高温炉体中的气压为0.055兆帕。反应200min后停止输入CO气流。在氩气气氛中冷却至室温，得到黑色粉末；将黑色粉末与浓度为2mol/L的盐酸溶液反应24h，然后用去离子水充分洗涤至中性，烘干，即得到石墨烯。
该石墨烯即为层次多孔碳材料。根据氮气吸脱附等温线计算得到该多孔碳材料的比表面积为928m2/g，孔容为1.06cm3/g。
实施例4
将金属镁与氧化镁颗粒以1:8的质量比在氮气的保护下研磨2h，然后将所得混合物置于高温炉体中，在氩气保护气氛下以5℃/min的升温速率升至750℃，引入的CO气体在高温炉体中反应掉立即形成负压并不断吸入CO气体，保持反应时高温炉体中的气压为0.065兆帕。反应150min后停止输入CO气流。在氩气气氛中冷却至室温，得到黑色粉末；将黑色粉末与浓度为1mol/L的硫酸溶液反应20h，然后用去离子水充分洗涤至中性，冷冻干燥8-24h，即得到石墨烯。
实施例5
将金属镁与氧化镁颗粒以1:8的质量比在氮气的保护下研磨2h，然后将所得混合物置于高温炉体中，在氩气保护气氛下以5℃/min的升温速率升至750℃，引入的CO气体在高温炉体中反应掉立即形成负压并不断吸入CO气体，保持反应时高温炉体中的气压为0.085兆帕。反应250min后停止输入CO气流。在氩气气氛中冷却至室温，得到黑色粉末；将黑色粉末与浓度为1mol/L的硫酸溶液反应20h，然后用去离子水充分洗涤至中性，冷冻干燥8-24h，即得到石墨烯。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。