CN103043655B - 高比表面积膨胀石墨的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高比表面积膨胀石墨的制备方法，包括插层反应、活化、膨化和纯化等步骤。本发明使用溴化铵作为辅助插层剂可有效地提高插层效果；制备过程温度的控制，尤其是850℃的膨化温度及15s的膨化时间可使膨胀石墨前躯体得到充分的膨胀形成具有高比表面积的膨胀石墨，并且最后还经溶液纯化处理使本发明所制备的膨胀石墨纯度高，碳含量大于99.5%，铁含量小于30ppm。

Description

高比表面积膨胀石墨的制备方法
技术领域
本发明涉及非金属材料领域，尤其涉及一种高比表面积膨胀石墨的制备方法。
背景技术
碳是自然界最普遍的元素之一，而膨胀石墨则是其中一种新型的碳素材料。早在19世纪60年代初，布罗迪就发现了膨胀石墨，然而其应用则在百年之后才开始，从此，人们相继展开了对膨胀石墨的研究和开发，取得了重大的科研突破。膨胀石墨是由天然石墨制备的可膨胀石墨膨胀后得到的一种多功能多用途的新型材料。膨胀石墨不仅具有天然石墨耐高温、耐腐蚀等特性，还具有发达的空隙结构，较大的比表面积，大量地运用于吸附材料；此外，膨胀石墨比天然石墨更耐磨，易导热，极强的导电率，可用作密封材料，电池电极材料等。电池电极材料添加膨胀石墨可有效提高电池容量和电导率。然而，随着科技的发展，数字设备的广泛使用，设备的负荷功率逐渐增加，对电池的高负荷放电性能提出了更高的要求以满足日益增长的需求。因此，如何获得更高性能的膨胀石墨以提高电池的性能成为人们关注的焦距。
发明内容
本发明的目的在于为克服现有技术的缺陷，而提供一种具有高比表面积、高纯度的膨胀石墨。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高比表面积膨胀石墨的制备方法，包括以下步骤：
（1）将质量分数为90%的硫酸与质量分数为68%的硝酸混合形成混酸，硫酸的体积与硝酸的体积之比为3-5：1，然后在不断搅拌混酸的同时向混酸中分别加入天然石墨粉和溴化铵，混酸、天然石墨粉和溴化铵的质量之比为5-10：1：0.5-1；
（2）经步骤（1）所得的反应混合物在25-40℃下搅拌60min，然后升温至45-50℃并保持搅拌15min，搅拌速率为600-700r/min；
（3）经步骤（2）所得的反应混合物经过滤得到固体物质，用水反复洗涤固体物质至洗涤液的pH为6.0-7.0，然后将固体物质置于30-35℃的烘箱中烘干至含水量小于10%，接着将温度升至70-80℃并保温30min得到膨胀石墨前驱体；
（4）将膨胀石墨前驱体自然冷却至室温后置于膨化温度为800-900℃的膨化炉中膨化10-20s；
（5）用粉碎机将经步骤（4）所得固体物质粉碎成粒径为25-35μm的微粉；
（6）用盐酸浸泡经步骤（5）所得微粉3-5h，然后用水洗涤至洗涤液的pH为6.0-7.0，过滤后在30-35℃下烘干至含水量小于0.5%。
优选地，所述硫酸的体积与硝酸的体积之比为4：1。
优选地，所述混酸、天然石墨粉和溴化铵的质量之比为10：1：0.5。
优选地，所述步骤（2）的方法是经步骤（1）所得的反应混合物在30℃下搅拌60min，然后升温至50℃并保持搅拌15min，搅拌速率为600-700r/min。
优选地，步骤（4）所述膨化温度为850℃，膨化时间为15min。
优选地，所述盐酸的浓度为1mol/L。
优选地，所述盐酸与微粉的质量之比为7-10：1。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的高比表面积膨胀石墨的制备方法使用溴化铵作为辅助插层剂可有效地提高插层效果；制备过程温度的控制，尤其是850℃的膨化温度及15s的膨化时间可使膨胀石墨前躯体得到充分的膨胀形成具有高比表面积的膨胀石墨，并且最后还经溶液纯化处理使本发明所制备的膨胀石墨纯度高，碳含量大于99.5%，铁含量小于30ppm。
具体实施方式
为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明。
实施例1
首先将浓硫酸稀释至质量分数为90%的硫酸，然后量取质量分数为90%的硫酸400mL，并向所量取的硫酸中加入100mL68%的硝酸，混合均匀形成混酸；在不断搅拌混酸的同时向其中加入86.7g天然石墨和43.3g磷酸铵，然后在30℃下搅拌60min后将温度升至50℃并继续搅拌15min，搅拌速率为650r/min；接着将固体物滤出并用水洗涤至洗涤液的pH=7.0，洗涤后的固体物置于35℃的烘箱中烘干至含水量为8%后升温至75℃并保温30min得到膨胀石墨前驱体；将膨胀石墨前驱体自然冷却至室温后置于膨化温度为850℃的膨化炉中膨化15s后自然冷却至室温，然后用粉碎机将固体物质粉碎成粒径为25-35μm的微粉；称取100g微粉并用800mL1mol/L盐酸浸泡5h，然后用水洗涤至洗涤液的pH=7.0，过滤后在35℃下烘干至含水量为0.2%即可。
本实施例所制膨胀石墨的碳含量为99.7%，灰份为0.06%，铁含量为20ppm，硫含量为350ppm，比表面积为272m2/g，孔容积为107cm3/g。
实施例2
首先将浓硫酸稀释至质量分数为90%的硫酸，然后量取质量分数为90%的硫酸500mL，并向所量取的硫酸中加入100mL68%的硝酸，混合均匀形成混酸；在不断搅拌混酸的同时向其中加入120g天然石墨和78g磷酸铵，然后在30℃下搅拌60min后将温度升至50℃并继续搅拌15min，搅拌速率为650r/min；接着将固体物滤出并用水洗涤至洗涤液的pH=7.0，洗涤后的固体物置于35℃的烘箱中烘干至含水量为8%后升温至75℃并保温30min得到膨胀石墨前驱体；将膨胀石墨前驱体自然冷却至室温后置于膨化温度为900℃的膨化炉中膨化10s后自然冷却至室温，然后用粉碎机将固体物质粉碎成粒径为25-35μm的微粉；称取100g微粉并用900mL1mol/L盐酸浸泡4h，然后用水洗涤至洗涤液的pH=7.0，过滤后在35℃下烘干至含水量为0.3%即可。
本实施例所制膨胀石墨的碳含量为99.6%，灰份为0.05%，铁含量为27ppm，硫含量为400ppm，比表面积为253m2/g，孔容积为97cm3/g。
实施例3
首先将浓硫酸稀释至质量分数为90%的硫酸，然后量取质量分数为90%的硫酸300mL，并向所量取的硫酸中加入100mL68%的硝酸，混合均匀形成混酸；在不断搅拌混酸的同时向其中加入130g天然石墨和65g磷酸铵，然后在40℃下搅拌60min后将温度升至45℃并继续搅拌15min，搅拌速率为600r/min；接着将固体物滤出并用水洗涤至洗涤液的pH=6.0，洗涤后的固体物置于30℃的烘箱中烘干至含水量为9%后升温至80℃并保温30min得到膨胀石墨前驱体；将膨胀石墨前驱体自然冷却至室温后置于膨化温度为800℃的膨化炉中膨化20s后自然冷却至室温，然后用粉碎机将固体物质粉碎成粒径为25-35μm的微粉；称取100g微粉并用700mL1mol/L盐酸浸泡3h，然后用水洗涤至洗涤液的pH=6.0，过滤后在35℃下烘干至含水量为0.3%即可。
本实施例所制膨胀石墨的碳含量为99.5%，灰份为0.1%，铁含量为30ppm，硫含量为500ppm，比表面积为237m2/g，孔容积为85cm3/g。
以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。

Claims (6)

1.一种高比表面积膨胀石墨的制备方法，包括以下步骤：
（1）将质量分数为90%的硫酸与质量分数为68%的硝酸混合形成混酸，硫酸的体积与硝酸的体积之比为3-5：1，然后在不断搅拌混酸的同时向混酸中分别加入天然石墨粉和溴化铵，混酸、天然石墨粉和溴化铵的质量之比为5-10：1：0.5-1；
（2）经步骤（1）所得的反应混合物在25-40℃下搅拌60min，然后升温至45-50℃并保持搅拌15min，搅拌速率为600-700r/min；
（3）经步骤（2）所得的反应混合物经过滤得到固体物质，用水反复洗涤固体物质至洗涤液的pH为6.0-7.0，然后将固体物质置于30-35℃的烘箱中烘干至含水量小于10%，接着将温度升至70-80℃并保温30min；
（4）将膨胀石墨前驱体自然冷却至室温后置于膨化温度为800-900℃的膨化炉中膨化10-20s；
（5）用粉碎机将经步骤（4）所得固体物质粉碎成粒径为30-35μm的微粉；
（6）用盐酸浸泡经步骤（5）所得微粉3-5h，然后用水洗涤至洗涤液的pH为6.0-7.0，过滤后在30-35℃下烘干至含水量小于0.5%。
2.根据权利要求1所述高比表面积膨胀石墨的制备方法，其特征在于：所述硫酸的体积与硝酸的体积之比为4：1。
3.根据权利要求1所述高比表面积膨胀石墨的制备方法，其特征在于：所述混酸、天然石墨粉和溴化铵的质量之比为10：1：0.5。
4.根据权利要求1所述高比表面积膨胀石墨的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）的方法是经步骤（1）所得的反应混合物在30℃下搅拌60min，然后升温至50℃并保持搅拌15min，搅拌速率为600-700r/min。
5.根据权利要求1所述高比表面积膨胀石墨的制备方法，其特征在于：所述盐酸的浓度为1mol/L。
6.根据权利要求5所述高比表面积膨胀石墨的制备方法，其特征在于：所述盐酸与微粉的质量之比为7-10：1。
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