一种比表面积大的石墨烯的低能耗制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于石墨烯的制备技术领域，具体涉及一种比表面积大的石墨烯的低能耗制备方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈.海姆和康斯坦丁.诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，
石墨烯是一种二维晶体，人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。石墨烯的应用范围广阔。根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料等。根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。另外石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由于其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂。
[0003]石墨烯是单层或多层的二维碳原子晶体，在力学方面表现出优越的性能，可用作增强材料制备高强度复合材料，又具有金属材料的导电和导热性、陶瓷材料的耐热和稳定性，纺织材料的柔软和编织性，以及高分子材料的易加工性，，有可能取代硅而成为未来的半导体材料，因而具有非常广阔的应用前景。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于提供一种比表面积大的石墨烯的低能耗制备方法。该方法操作简单，成本低廉、转化效率高，方便可行，适宜大规模生产。
[0005]本发明是通过以下技术方案加以实现的:
一种比表面积大的石墨烯的低能耗制备方法，其特征在于，包括如下步骤:
(O原料预处理:采用由天然鳞片石墨制备的单片层氧化石墨烯为原料，配制成0.5-0.8mg/mL的单层氧化石墨烯水分散液，在冰水浴的条件下，按照体积比3: 10缓慢滴加质量分数为98%的浓硫酸，配制成含硫酸质量浓度为80-90%的反应液；
(2)催化卤代反应:按摩尔比0.5: 1-3称取催化剂和卤代烃，逐渐加入到上述反应液中并搅拌30-40min，在惰性气氛下，480-500°C保温2-2.5h ；
(3)制黑色石墨烯:上述反应后的液体先后用有机溶剂和摩尔浓度为0.5mol/L稀硝酸清洗，然后加入去离子水中稀释，直至用BaC12溶液检测滤液中无白色沉淀为止，冷却至20-250C，用溶剂过滤器过滤，将滤饼置于真空烘箱中，在65-75°C下干燥9_10h。
[0006]上述的步骤(2)中的催化剂选自二茂铁、二茂钴、二茂镍中的一种；
上述的步骤(2)中的卤代烃选自四氯乙烯、四溴乙烯、六氯苯、二氯苯或溴苯中的一种。
[0007]上述步骤(2)中的催化剂和卤代烃的优选摩尔比为0.5: 2。
[0008]上述的步骤(2)中搅拌在180_230°C的范围内的温度下进行。
[0009]上述步骤(3)中的有机溶剂选自丙酮、无水乙醇、乙醚、甲烷中的一种。
[0010]本发明的有益效果在于:
本发明原料成本低廉，溶剂可以循环利用，无毒害；反应温度低，且在常压下即可进行制备，能耗低；产物的纯度和产率很高，并且可以避免传统的氧化石墨-还原法对石墨烯结构造成的破坏，合成的石墨烯具有较大的比表面积，片状大且完整。采用的设备简单，操作方便，生产步骤少，适于大规模生产。产品可用于微电子元件、锂离子电池、燃料电池和纳米增强复合材料等领域，应用前景广阔。
【具体实施方式】
[0011]实施例1
一种比表面积大的石墨烯的低能耗制备方法，其特征在于，包括如下步骤:
(1)原料预处理:采用由天然鳞片石墨制备的单片层氧化石墨烯为原料，配制成0.5mg/mL的单层氧化石墨烯水分散液，在冰水浴的条件下，按照体积比3: 10缓慢滴加质量分数为98%的浓硫酸，配制成含硫酸质量浓度为80%的反应液；
(2)催化卤代反应:按摩尔比0.5: I称取二茂铁和四氯乙烯，逐渐加入到上述反应液中，在220°C的范围内的温度下进行搅拌40min，在惰性气氛下，490°C保温2h ；
(3)制黑色石墨烯:上述反应后的液体先后用丙酮和摩尔浓度为0.5mol/L稀硝酸清洗，然后加入去离子水中稀释，直至用BaC12溶液检测滤液中无白色沉淀为止，冷却至25°C，用溶剂过滤器过滤，将滤饼置于真空烘箱中，在65°C下干燥10h。
[0012]实施例2
一种比表面积大的石墨烯的低能耗制备方法，其特征在于，包括如下步骤:
(O原料预处理:采用由天然鳞片石墨制备的单片层氧化石墨烯为原料，配制成0.8mg/mL的单层氧化石墨烯水分散液，在冰水浴的条件下，按照体积比3: 10缓慢滴加质量分数为98%的浓硫酸，配制成含硫酸质量浓度为90%的反应液；
(2)催化卤代反应:按摩尔比0.5: 2称取二茂镍和四溴乙烯，逐渐加入到上述反应液中，在220°C的范围内的温度下进行搅拌40min，在惰性气氛下，500°C保温2h ；
(3)制黑色石墨烯:上述反应后的液体先后用无水乙醇和摩尔浓度为0.5mol/L稀硝酸清洗，然后加入去离子水中稀释，直至用BaC12溶液检测滤液中无白色沉淀为止，冷却至23 0C，用溶剂过滤器过滤，将滤饼置于真空烘箱中，在75°C下干燥9h。
[0013]实施例3
一种比表面积大的石墨烯的低能耗制备方法，其特征在于，包括如下步骤:
(O原料预处理:采用由天然鳞片石墨制备的单片层氧化石墨烯为原料，配制成
0.6mg/mL的单层氧化石墨烯水分散液，在冰水浴的条件下，按照体积比3: 10缓慢滴加质量分数为98%的浓硫酸，配制成含硫酸质量浓度为82%的反应液；
(2)催化卤代反应:按摩尔比0.5: 3称取二茂镍和二氯苯，逐渐加入到上述反应液中，在220°C的范围内的温度下进行搅拌40min，在惰性气氛下，490°C保温2.5h ；
(3)制黑色石墨烯:上述反应后的液体先后用无水乙醇和摩尔浓度为0.5mol/L稀硝酸清洗，然后加入去离子水中稀释，直至用BaC12溶液检测滤液中无白色沉淀为止，冷却至25°C，用溶剂过滤器过滤，将滤饼置于真空烘箱中，在75°C下干燥10h。
【主权项】
1.一种比表面积大的石墨烯的低能耗制备方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)原料预处理:采用由天然鳞片石墨制备的单片层氧化石墨烯为原料，配制成0.5-0.8mg/mL的单层氧化石墨烯水分散液，在冰水浴的条件下，按照体积比3: 10缓慢滴加质量分数为98%的浓硫酸，配制成含硫酸质量浓度为80-90%的反应液； (2)催化卤代反应:按摩尔比0.5: 1-3称取催化剂和卤代烃，逐渐加入到上述反应液中并搅拌30-40min，在惰性气氛下，480-500°C保温2-2.5h ； (3)制黑色石墨烯:上述反应后的液体先后用有机溶剂和摩尔浓度为0.5mol/L稀硝酸清洗，然后加入去离子水中稀释，直至用BaC12溶液检测滤液中无白色沉淀为止，冷却至20-25°C，用溶剂过滤器过滤，将滤饼置于真空烘箱中，在65-75°C下干燥9_10h。
2.根据权利要求1所述的一种比表面积大的石墨烯的低能耗制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的催化剂选自二茂铁、二茂钴、二茂镍中的一种； 根据权利要求1所述的一种比表面积大的石墨烯的低能耗制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的卤代烃选自四氯乙烯、四溴乙烯、六氯苯、二氯苯或溴苯中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种比表面积大的石墨烯的低能耗制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的催化剂和卤代烃的优选摩尔比为0.5: 2。
4.根据权利要求1所述的一种比表面积大的石墨烯的低能耗制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中搅拌在180-230°C的范围内的温度下进行。
5.根据权利要求1所述的一种比表面积大的石墨烯的低能耗制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的有机溶剂选自丙酮、无水乙醇、乙醚、甲烷中的一种。
【专利摘要】本发明公开了一种比表面积大的石墨烯的低能耗制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）原料预处理（2）催化卤代反应（3）制黑色石墨烯。本发明原料成本低廉，溶剂可以循环利用，无毒害；反应温度低，能耗低；产物的纯度和产率很高，合成的石墨烯具有较大的比表面积，片状大且完整。采用的设备简单，操作方便，生产步骤少，适于大规模生产。产品可用于微电子元件、锂离子电池、燃料电池和纳米增强复合材料等领域，应用前景广阔。
【IPC分类】C01B31-04
【公开号】CN104627982
【申请号】CN201310543575
【发明人】陶岩华
【申请人】青岛威腾石墨有限公司
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2013年11月6日