一种纳米石墨片的制备方法与流程

本发明涉及一种制备纳米石墨片的化学方法，属于碳材料技术领域。

背景技术：

近年来，由于碳材料结构的多样性以及独特的热学、电学、光学等物理化学性质，因此广泛地应用于催化、能源、气体分离与吸附等领域。有鉴于此，越来越多的研究者们不断地探索合成具有新型结构形貌与性质的碳材料。石墨化碳纳米片由于具有较高的比表面积和导电性，因此同时受到了研究者们的大量关注。目前，合成石墨化碳材料的方法主要有高温热处理(2200～3000℃)与过渡金属催化石墨化两种方法。(Carbon,2004,42,3049-3055.Langmuir,2000,16,4367-4373.)高温热处理由于需要较大的能耗、生产设备昂贵以及所制备的石墨化碳产物比表面结较小的缺点，阻碍了石墨化碳材料的大规模应用。尽管催化石墨化的方法需要较低的温度(～1000℃)，但在制备石墨化碳的过程中需要加入过渡金属(或其氧化物)催化剂，这不仅增加了生产的成本，而且也增加了后处理中纯化处理石墨化碳材料的难度。采用钙、镁等金属还原CO₂可以制备纳米石墨材料，但由于该反应非常剧烈，热效应大，实际反应温度超过1100℃，产物发生严重烧结。这些特征表明钙、镁等金属与CO₂反应容易发生热失控，不利于批量化生产纳米石墨片材料。可见，发展一种纳米石墨片高效、低成本的批量化制备方法仍然具有较大的挑战性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种工艺简单、环保且易于批量化的纳米石墨片的制备方法。

本发明提出在一定的温度和压力环境下，利用CaC₂与CO₂的反应来制备纳米石墨片，该方法原料易得，操作简单，适合大规模工业化生产。

本发明提供的技术方案具体如下：

一种纳米石墨片的制备方法，包括以下步骤：首先将CaC₂粉末在CO₂气氛的密闭容器中升温至600～900℃，此时密闭容器内的气压≥0.1MPa，CaC₂粉末和CO₂气体发生氧化还原反应，反应结束后将密闭容器自然冷却至室温，然后取出固体产物，依次用盐酸、蒸馏水洗涤以除去固相副产物，最后烘干，即得纳米石墨片。

所述纳米石墨片的厚度为5～50nm。

优选地：

所述的密闭容器为不锈钢反应釜。

所述的CaC₂粉末盛放于氧化铝陶瓷坩埚中。

CaC₂粉末和CO₂气体反应时的气压为0.1-5MPa。

反应时间≥1小时。

本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明中CaC₂原料可以通过CaO与生物质炭反应制得，来源非常广泛；CO₂原料来源于大气，因此能够有效降低环境中的CO₂。

2.本发明中由于CaC₂与CO₂的反应比较温和，因此其反应热不会剧烈释放，因此既有利于维持反应所需要的温度，也不会导致热失控发生。

3.本发明在制备纳米石墨片的过程中操作简单，原料廉价易得，反应温度低，无需额外加入催化剂，并且产物的后处理简单方便，因此整体来说所制备的纳米石墨片成本低廉，适合工业化大规模生产。

附图说明

图1为本发明实施例1所制备的最终产物XRD图。

图2为本发明实施例1所制备的最终产物SEM图。

图3为本发明实施例2所制备的最终产物经乙醇分散超声后的TEM图。

具体实施方式

下面将结合附图与实施例对本发明的技术方案进行具体的描述。本发明中，反应釜为不锈钢耐高温高压的特种钢，反应釜上方安装有压力阀，可以随时监控反应体系的压力变化。反应时CaC₂粉末盛装在敞口高温氧化铝陶瓷容器之中。在反应过程中，为防止反应釜上方的密封圈老化，反应釜的上方周围需持续通冷凝水。反应结束待温度自然冷却后，从反应釜中取出产物，依次用稀盐酸、蒸馏水洗涤多次后，最后烘干得到纳米石墨片产物。

实施例1

首先将1.28g CaC₂粉末均匀分散在氧化铝陶瓷坩埚内，然后将氧化铝陶瓷坩埚置于不锈钢反应釜内，用硅胶密封圈将反应釜密封，随后进行抽真空处理，接着向反应釜内通入一定压力的CO₂气体。将反应釜升温至650℃，并且维持反应釜内压力为0.5MPa，反应20h后将反应釜温度自然降至室温，取出坩埚内部的产物，依次用0.1M稀盐酸、蒸馏水多次洗涤后，离心分离，最终所得固体粉末于80℃烘箱中烘干。图1所示的XRD图谱、以及图2所示的SEM图谱皆表明所制备的产物为纳米石墨片，从XRD图谱中我们可以看出所得产物具有较好的石墨化结构，从SEM图谱中我们可以看出所得产物为片状结构。

实施例2

首先将10g CaC₂粉末均匀分散在氧化铝陶瓷坩埚内，然后将氧化铝陶瓷坩埚置于不锈钢反应釜内，通CO₂气体将反应釜内空气排空后密封。将釜温控制在700℃左右，并且维持反应釜内部CO₂的压力为0.5MPa。恒温反应20h后，待反应釜温度自然降至室温，取出坩埚内部的产物，依次经0.1M稀盐酸、蒸馏水多次洗涤过滤后，将最终所得固体粉末于80℃烘箱中烘干。将产物用乙醇超声分散后进行TEM测试，结果如图3所示，表明产物为厚度10-50nm的纳米石墨片。

实施例3

首先将10g CaC₂粉末均匀分散在氧化铝陶瓷坩埚内，然后将氧化铝陶瓷坩埚置于不锈钢反应釜内，用硅胶密封圈将反应釜密封，随后进行抽真空处理，接着向反应釜内通入一定压力的CO₂气体。按照程序升温的步骤，以10℃·min^-1的升温速率将反应釜的温度从室温逐渐升温至700℃，并且维持反应釜内部CO₂的压力为5MPa。恒温反应2h后，待反应釜温度自然降至室温，取出坩埚内部的产物，依次经0.1M稀盐酸、蒸馏水多次洗涤后，最终所得固体粉末于80℃烘箱中烘干。XRD、SEM、TEM测试表明反应产物为纳米石墨片。

实施例4

首先将5.0g CaC₂粉末均匀分散在氧化铝陶瓷坩埚内，然后将氧化铝陶瓷坩埚置于不锈钢反应釜内，用硅胶密封圈将反应釜密封，随后进行抽真空处理，接着往反应釜内通入一定压力的CO₂气体。按照程序升温的步骤，以10℃·min^-1的升温速率将反应釜的温度从室温逐渐升温至800℃，并且维持反应釜内部CO₂的压力为2MPa。恒温反应5h后，待反应釜温度自然降至室温，取出坩埚内部的产物，依次经0.1M稀盐酸、蒸馏水多次洗涤后，离心分离，最终所得固体粉末于80℃烘箱中烘干。其所得产物的表征结果与实施例1相同，说明产物为石墨化纳米片结构的碳材料。