石墨烯的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于碳材料技术领域，具体是涉及一种石墨烯的制备方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯是由单层碳原子以Sp2杂化方式键合形成的具有六方点阵蜂窝状结构的纳米碳材料，属于一种新型的二维晶体材料。石墨烯具有良好的导电性、导热性、机械性能、透光性和电子学特性，在能量存储、光电子器件和复合材料领域具有广泛的应用前景。因此，石墨烯目前已经成为材料学、物理学和化学等多个学科领域的研究热点。在产业化方面，由于各种制备技术的发展，石墨烯产品的开发近年来也取得了显著地进展。
[0003]目前，石墨烯的制备方法有:机械剥离法，化学气相沉积法和氧化-还原法。机械剥离法和化学气相沉积法制备石墨烯的产量很低，并且化学气相沉积法的工艺复杂，需要专门去除催化剂，能源消耗大，生产成本过高，不适应大规模生产的要求。氧化-还原法主要是利用氢氧化剂对天然鳞片石墨进行氧化后得到氧化石墨，然后超声剥离得到氧化石墨烯，再经还原后制得石墨烯材料。然而所得到的氧化石墨烯是一种二维薄片状结构，在水中分散性好，采用普通的抽滤、离心分离等方法难以将氧化石墨烯从其水溶液中分离出来；并且经常采用强还原剂(水合肼，高毒类)或高温(高能耗)对氧化石墨烯进行还原处理，很难符合绿色制备的标准。特别是对大规模工业制备与处理，这些方法成本高、效率低、不宜推广应用。因此，探索一种简单实用、经济高效、绿色环保的还原氧化石墨的方法，对解决石墨烯的大规模制备，实现石墨烯的广泛应用具有十分重要的价值。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有石墨烯制备方法的不足，提供一种由氧化石墨制备多层石墨烯的新方法。该方法具有工艺简单、操作方便、生产成本低、适于大规模生产等优点。
[0005]本发明目的的实现方式为，一种大规模制备多层石墨烯的方法，具体步骤如下:
[0006]1.氧化石墨:氧化石墨的制备采用两次氧化完成。
[0007]1.1 —次氧化:以天然鳞片石墨为原料，利用氧化剂预氧化，氧化4?8小时后，利用去离子水洗涤抽滤至中性，常温干燥，一次氧化采用的氧化剂为浓硫酸，过硫酸铵和五氧化二磷的组合物；
[0008]1.2 二次氧化:取一次氧化后的原料，重新分散到浓硫酸中，同时利用高锰酸钾作为联合氧化剂对一次氧化后的原料进行氧化，反应2小时加入去离子水稀释，稀释过程中体系温度控制在50摄氏度以下，随后加入30%的过氧化氢完成二次氧化。
[0009]2.将氧化后的产物，首先利用稀盐酸进行清洗，除去产物中的剩余的金属离子和硫酸根离子等，然后利用低沸点极性有机溶剂清洗至中性，并重新分散到低沸点极性有机溶剂中，制得悬浊液，低沸点极性有机溶剂包括:丙酮、甲醇、乙醇等。
[0010]3.固液分离:将步骤2制得的悬浊液，采用离心分离的方法，将混合溶液进行固液分离，分别收集溶剂和氧化石墨。
[0011]4.制备多层石墨烯:将湿态的利用有机溶剂清洗至中性的氧化石墨，在温度为80?150摄氏度下干燥60?300分钟，即可得到多层石墨烯。
[0012]本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果:
[0013](I)本发明制备出的多层石墨烯比表面积在190?350m2/g之间，平均孔径在
3.8nm左右，孔容在0.6?1.5cm2/g之间；
[0014](2)本发明方法无需高温处理，生产能耗低；
[0015](3)本发明方法无需催化剂，无需强还原剂，对生产过程中的溶剂还能回收再利用，既能降低成本，又有利于环保；
[0016](4)本发明工艺简单，操作方便，生产设备少，从而进一步降低成本，便于推广应用，适于规模生产。
[0017]采用本发明方法制备出的多层石墨烯可以作为电池、超级电容器的电极材料，也可用作锂离子电池、碱性电池、氢镍电池的导电剂。
【附图说明】
[0018]图1利用丙酮作为溶剂制备的多层石墨烯的扫描电镜照片
[0019]图2利用丙酮作为溶剂制备的多层石墨烯的透射电镜照片
[0020]图3利用丙酮作为溶剂制备的多层石墨烯吸脱附曲线及相关特性
[0021]图4利用甲醇作为溶剂制备的多层石墨烯吸脱附曲线及相关特性
[0022]图5利用乙醇(110摄氏度)作为溶剂制备的多层石墨烯吸脱附曲线及相关特性
[0023]图6利用乙醇(120摄氏度)作为溶剂制备的多层石墨烯吸脱附曲线及相关特性
【具体实施方式】
[0024]下面将结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但其并不是对发明的限制。
[0025]实施例1
[0026]称取3克天然鳞片石墨，分散于120毫升浓硫酸中，加入0.5克过硫酸铵和0.5克五氧化二磷，于80摄氏度条件下反应4小时，随后用去离子水洗涤抽滤至中性，常温干燥；将干燥后的产物，重新分散至100毫升浓硫酸中，并加入15克高锰酸钾，反应体系置于冰浴中，反应2小时后，加入210毫升去离子水稀释，随后加入30毫升30%的过氧化氢，得到氧化石墨。
[0027]然后利用0.01摩尔每升的稀盐酸清洗氧化石墨除去多余金属离子和硫酸根，随后用丙酮清洗至中性，离心后得到中性氧化石墨。
[0028]将湿态的氧化石墨放入烘箱中，80摄氏度干燥，保温6小时，即可得到多层石墨烯。
[0029]实施例2
[0030]利用甲醇取代实例I中的丙酮，在90摄氏度条件下干燥、保温，同样能得到多层石墨稀材料。
[0031]实施例3
[0032]利用乙醇取代实例I中的丙酮，在110摄氏度条件下干燥、保温，同样能得到多层石墨烯材料。
[0033]实施例4
[0034]利用乙醇取代实例I中的丙酮，在120摄氏度条件下干燥、保温，同样能得到多层石墨烯材料。
【主权项】
1.一种多层石墨烯的制备方法，其特征在于具体的方法步骤如下: (1)氧化石墨:氧化石墨的制备采用两次氧化完成。 一次氧化:以天然鳞片石墨为原料，利用氧化剂预氧化，氧化4?8小时后，利用去离子水洗涤抽滤至中性，常温干燥，一次氧化采用的氧化剂为浓硫酸，过硫酸铵和五氧化二磷的组合物； 二次氧化:取一次氧化后的原料，重新分散到浓硫酸中，同时利用高锰酸钾作为联合氧化剂对一次氧化后的原料进行氧化，反应2小时加入去离子水稀释，稀释过程中体系温度控制在50摄氏度以下，随后加入30%的过氧化氢完成二次氧化。 (2)清洗:将氧化后的产物，首先利用稀盐酸进行清洗，除去产物中的剩余的金属离子和硫酸根离子等，然后利用低沸点极性有机溶剂清洗至中性，并重新分散到低沸点极性有机溶剂中，制得悬浊液。低沸点极性有机溶剂包括:丙酮、甲醇、乙醇等。 (3)固液分离:将步骤(2)制得的悬浊液，采用离心分离的方法，将混合溶液进行固液分离，分别收集溶剂和氧化石墨。 (4)制备多层石墨烯:将湿态的利用有机溶剂清洗至中性的氧化石墨，在温度为80?150摄氏度下干燥60?300分钟，即可得到多层石墨烯。2.按照权利要求1所述的一种多层石墨烯的制备方法，其特征在于: 第(2)步中采用丙酮进行清洗； 第(3)步中采用离心分离法将第(I)步制得的悬浊液进行固液分离； 第⑷步I中的温度为80摄氏度，干燥时间240分钟。3.按照权利要求1所述的一种多层石墨烯的制备方法，其特征在于: 第⑵步中采用甲醇进行清洗； 第(3)步中采用离心分离法将第(I)步制得的悬浊液进行固液分离； 第⑷步I中的温度为90摄氏度，干燥时间240分钟。4.按照权利要求1所述的一种多层石墨烯的制备方法，其特征在于: 第⑵步中采用乙醇进行清洗； 第(3)步中采用离心分离法将第(I)步制得的悬浊液进行固液分离； 第⑷步I中的温度为110摄氏度，干燥时间240分钟。5.按照权利要求1所述的一种多层石墨烯的制备方法，其特征在于: 第⑵步中采用乙醇进行清洗； 第(3)步中采用离心分离法将第(I)步制得的悬浊液进行固液分离； 第⑷步I中的温度为120摄氏度，干燥时间240分钟。
【专利摘要】本发明公开了一种多层石墨烯的制备方法，属于炭素材料技术领域。本发明是以天然鳞片石墨为原理，经二次氧化、清洗、固液分离和干燥后，制备出多层石墨烯。采用本发明方法制备的多层石墨烯本比表面积在190～350m2/g之间，平均孔径在3.8nm左右，孔容在0.6～1.5cm2/g之间。本发明方法无需高温处理，生产能耗低；无需催化剂，无需强还原剂，对生产过程中的溶剂还能回收再利用，既能降低成本，又有利于环保；本发明工艺简单，操作方便，生产设备少，从而进一步降低成本，便于推广应用，适于规模生产。采用本发明方法制备出的多层石墨烯可以作为电池、超级电容器的电极材料，也可用作锂离子电池、碱性电池、氢镍电池的导电剂。
【IPC分类】C01B31/04
【公开号】CN105645384
【申请号】
【发明人】贾志军, 王毅, 齐涛
【申请人】中国科学院过程工程研究所
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2014年12月2日