一种石墨烯制备方法及石墨烯与流程

1.本发明涉及石墨烯制备技术领域，尤其涉及一种石墨烯制备方法及石墨烯。


背景技术：

2.石墨烯是一种以sp2杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。
3.石墨烯常见的粉体生产方法为机械剥离法、氧化还原法、sic外延生长法，在商用市场上，提取石墨烯多采用化学方法。由于石墨烯物理形态为六角形，在采用化学方法提取时，所使用的化学原料存在腐蚀性，会损伤石墨烯其中的一个角或多个角，最终造成石墨烯的物理性能和化学性能缺失，比如导电性或导热性能等。采用常规化学方法，如使用王水等化学试剂，所提取的石墨烯存在有些角结构被腐蚀的情况，导致导电性会缺失，影响最终石墨烯的质量。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提供一种石墨烯制备方法及石墨烯，以解决现有技术中对石墨烯进行制备时容易损伤其物理形态，进而影响其质量等问题。
5.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.第一方面，本技术实施例提供一种石墨烯制备方法，包括以下步骤：
7.s10、将鳞片石墨和盐粒按一定质量比例放置在滚筒装置内；
8.s20、启动滚筒装置，滚动第一混合时间，加入助剂，再滚动第二混合时间，使鳞片石墨、盐粒和助剂充分接触；
9.s30、将混合后的物质放入水中溶解，采用负压法过滤出固体物质，清洗固体物质，超声剥离后过滤，冻干处理，放置真空炉中升温去杂质，得到石墨烯。
10.作为一种可能的实施例，在步骤s20后，还包括步骤s21：
11.将滚筒装置内的混合物倒入碾压装置中，碾压破碎混合物，再放置回滚筒装置内进行滚动混合，重复一定次数后，再进入步骤s30。
12.作为一种可能的实施例，在步骤s21中，将混合物从碾压装置放置回滚筒装置内后，再加入助剂，进行滚动混合。
13.作为一种可能的实施例，在步骤s20和/或s21中，还向所述滚筒装置中加入碳材料，所述碳材料选自活性炭、碳气凝胶或碳纤维中的一种或多种。
14.作为一种可能的实施例，所述鳞片石墨和盐粒的质量比例为1：10000～1：1。
15.作为一种可能的实施例，所述鳞片石墨与所述碳材料的质量比例为1：1000～2：1。
16.作为一种可能的实施例，在进入步骤s30前，还经过步骤s23：
17.目测所述盐粒的表面颜色，若表面颜色从白色变为亮光的灰黑色，则停止混合，进
入步骤s30。
18.作为一种可能的实施例，所述助剂选自还氧树脂、聚乙二醇、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或70％纯度酒精中的一种或多种。
19.作为一种可能的实施例，在所述滚筒装置的内筒壁设置凸出部，所述内筒壁还贴附一层摩擦膜，所述摩擦膜的表面粗糙度范围为ra50～100。
20.第二方面，本技术实施例还提供一种根据上述的一种石墨烯制备方法所制备的石墨烯，所述石墨烯为纯度不小于99.999％的七层及以下石墨烯，厚度范围为1～4纳米。
21.相比现有技术，本发明至少包括以下有益效果：
22.本技术实施例提供的石墨烯制备方法，通过滚动混合的方式，实现盐粒和鳞片石墨之间的充分接触，在混合过程中，盐粒和鳞片石墨之间除了助剂，不存在有其他外力作用部件，滚筒转动的方式保证在混合过程中只有盐粒、鳞片石墨和助剂三者之间的摩擦碰撞，使得石墨烯在不破坏物理形态的情况下，吸附在盐粒表面，保留了石墨烯完整的物理、化学性质，制备方法简单可靠，石墨烯纯度高。
23.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
24.利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
25.图1为本发明中其中一个实施例提供的一种石墨烯制备方法的流程示意图。
26.图2是本发明中另一个实施例提供的一种石墨烯制备方法的流程示意图。
具体实施方式
27.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
29.在本发明的描述中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。
30.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
31.第一方面，结合图1，本实施例提供一种石墨烯制备方法，包括以下步骤：
32.s10、将鳞片石墨和盐粒按一定质量比例放置在滚筒装置内；
33.s20、启动滚筒装置，滚动第一混合时间，加入助剂，再滚动第二混合时间，使鳞片石墨、盐粒和助剂充分接触；
34.s30、将混合后的物质放入水中溶解，采用负压法过滤出固体物质，清洗固体物质，超声剥离后过滤，冻干处理，放置真空炉中升温去杂质，得到石墨烯。
35.需要说明的是，本实施例中的盐粒为卤盐，是卤素与金属元素形成的盐类，其在一定温度和湿度下，盐粒的表面具有粘性，将具有粘性的盐粒和鳞片石墨按一定质量比例放入滚筒装置内，在滚筒装置的滚动混合下，鳞片石墨和盐粒经过充分长期的接触，鳞片石墨逐层被盐粒粘到其表面，实现逐层剥离鳞片石墨的效果。在接触过程中，滚筒装置相当于洗衣机的滚筒，其只通过筒壁向其内部的鳞片石墨和盐粒施加摩擦力，不会有其他外力作用部件，即不会有搅拌、研磨等直接将压力施加在鳞片石墨和盐粒上的部件，使得石墨烯在不破坏物理形态的情况下，吸附在盐粒表面，保留了石墨烯完整的物理、化学性质。
36.为了提高盐粒和鳞片石墨的粘合度，在滚动第一混合时间后，向滚筒装置加入助剂，再滚动第二混合时间，利用助剂使鳞片石墨在与其周围的盐粒形成一个粘合体，以便提高鳞片石墨剥离的速度。
37.当鳞片石墨被充分剥离至盐粒上后，将混合后的物质放入水中溶解，使盐粒溶于水，附着在盐粒上的石墨烯在水中与盐粒分离，石墨烯漂浮在水面上层，再利用负压法过滤出固体物质，经过10～50次清水清洗后，超声剥离后过滤，进一步降低物质中的盐含量，此时盐粒及其他杂质的含量低于5％。
38.此时对过滤出来的石墨烯进行冻干机冻干，此处不能使用热烘干，是为了避免石墨烯团聚成多层石墨，在冻干后，将石墨烯放置在加热容器中，在真空炉内升温到3200度，去除剩余的杂质、盐等，因为在无氧环境下，石墨烯能耐受3200度以上的高温；最后得到石墨烯制品，并进行储存。
39.结合图2，在一些实施例中，在步骤s20后，还包括步骤s21：
40.在滚筒装置中进行初步混合后，将滚筒装置内的混合物倒入碾压装置中，碾压破碎混合物，再放置回滚筒装置内进行滚动混合，重复一定次数后，再进入步骤s30。
41.这一步骤的目的在于，由于盐粒的体积比鳞片石墨大很多，为了提高盐粒和鳞片石墨接触概率和结合面积，需要通过碾压的行为，尽可能地将盐粒破碎，颗粒破碎后表面积会延伸数倍，且其粒径也会进一步降低，使得鳞片石墨更容易于破碎后的盐粒粘附，而在碾压过程中，采取类似压面机的结构模型，其碾压力度是缓慢递增的，在施力过程中，鳞片石墨根据施力变化可调整至较平面的状态，而粒径更大的盐粒会承受更大的作用力，在盐粒的支撑下，鳞片石墨被破坏的程度低，能保证其完整的物理、化学性质。
42.随着滚筒滚动和碾压破碎两个动作的交替进行，重复50～200次后，鳞片石墨、盐粒和助剂已经充分接触，再将最终混合后的物质放入水中溶解，进行步骤s30。
43.优选地，在步骤s21中，将混合物从碾压装置放置回滚筒装置内后，再加入助剂，进行滚动混合。意思是，助剂的添加不是一步添加到位的，而是在滚筒滚动和碾压破碎两个动作交替进行的同时逐步添加的，更具体的是，每当混合物碾压后再放入滚筒装置时，加入助剂，滚动混合后，再放至碾压装置中碾压破碎，持续重复。这样做的好处在于，避免一时添加过多的助剂，使得鳞片石墨和盐粒形成大范围的团状，不利于滚动混合，因此通过少量多次地添加助剂，更有利于助剂在鳞片石墨和盐粒中分散，形成大范围地形成多个小局部粘合
体，有利于鳞片石墨的逐层剥离。
44.结合图2，作为一种实施方式，在步骤s20和/或s21中，还向所述滚筒装置中加入碳材料，所述碳材料选自活性炭、碳气凝胶或碳纤维中的一种或多种，在鳞片石墨和盐粒粘合剥离过程中，助剂负责将鳞片石墨、盐粒和碳材料形成一个粘合体，在这个相对独立的空间内，鳞片石墨、盐粒与碳材料形成了小范围的电吸附场，鳞片石墨与碳材料接触形成复合材料，这一复合材料在于盐粒接触摩擦过程中，形成了一定程度的电吸附效应，在吸附力的作用下，鳞片石墨被充分剥离至盐粒上。
45.优选地，在加入碳材料后，将混合物放入水中溶解，还可添加絮凝剂，使得碳材料沉淀在水底，而石墨烯仍漂浮在水面上。
46.优选地，所述鳞片石墨和盐粒的质量比例为1：10000～1：1；所述鳞片石墨与所述碳材料的质量比例为1：1000～2：1。
47.在一些可能的实施例中，一克鳞片石墨配一千克盐粒，保证鳞片石墨与盐粒之间的充分接触，提高剥离转化效率。
48.在本实施例中，在进入步骤s30前，还经过步骤s23：
49.目测所述盐粒的表面颜色，若表面颜色从白色变为亮光的灰黑色，则停止混合，进入步骤s30。
50.盐粒的初始颜色是白色，在经过充分混合后，石墨烯慢慢附着在盐粒上，盐粒的表面变成亮光的灰黑色，由于这一过程无法通过设备测定转移程度，所以需要使用目测法，当颜色转移不够快，则再进行滚动、碾压、添加助剂和碳材料的调节，因此在滚筒混合后，先用目测法判断是否已完成转移，未完成的话，就进入碾压破碎步骤，再重复滚动目测，如此重复。
51.在本实施例中，所述助剂选自还氧树脂、聚乙二醇、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或70％纯度酒精中的一种或多种。
52.作为一种实施方式，在所述滚筒装置的内筒壁设置凸出部，此凸出部可以跟内筒壁整体成型，呈现波浪状、波点状、突出筋状等，能提高在滚动过程中对鳞片石墨和盐粒的扰动，另外地，所述内筒壁还贴附一层摩擦膜，摩擦膜在凸出部的上部，即摩擦膜直接与鳞片石墨、盐粒接触，所述摩擦膜的表面粗糙度范围为ra50～100，即摩擦膜的表面有细微的沟槽，沟槽的波距在50～100μm之间，而所使用的盐粒的直径为25～100mm之间，在经过滚动、碾压后，盐粒的直径破碎后变成细盐，细盐可以卡在摩擦膜的沟槽中，在内筒壁形成一层盐层，提高鳞片石墨在边际条件下与盐粒的接触面积。
53.第二方面，本技术实施例还提供一种根据上述实施例的一种石墨烯制备方法所制备的石墨烯，所述石墨烯为纯度不小于99.999％的七层及以下石墨烯，厚度范围为1～4纳米，通过以上方法制备得到的石墨烯纯度高，厚度薄，保留最为完整的石墨烯的物理和化学性质，能将原鳞片石墨中所含石墨烯的90％提取出来，产量高。
54.相对于现有技术，上述实施例提供一种石墨烯制备方法及石墨烯，通过滚动混合的方式，实现盐粒和鳞片石墨之间的充分接触，在混合过程中，盐粒和鳞片石墨之间除了助剂，不存在有其他外力作用部件，滚筒转动的方式保证在混合过程中只有盐粒、鳞片石墨和助剂三者之间的摩擦碰撞，使得石墨烯在不破坏物理形态的情况下，吸附在盐粒表面，保留了石墨烯完整的物理、化学性质，制备方法简单可靠，石墨烯纯度高。
55.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
56.以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。