CN103601177A

CN103601177A - 一种碱金属盐催化固体有机酸制备石墨烯的方法

Info

Publication number: CN103601177A
Application number: CN201310577452.1A
Authority: CN
Inventors: 朱珍平; 崔会娟; 郑剑锋; 孟新; 朱艳艳
Original assignee: Shanxi Institute of Coal Chemistry of CAS
Current assignee: Shanxi Institute of Coal Chemistry of CAS
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2033-11-19
Also published as: CN103601177B

Abstract

一种碱金属盐催化固体有机酸制备石墨烯的方法是将固体有机酸与催化剂混合，将混合物放置于用惰性或还原性气体保护的反应器中进行反应，反应后在相同气氛保护下冷却到室温，得到固体产物，将上述固体产物洗涤、过滤、干燥得到石墨烯产品。本发明具有无污染、低成本、工艺简单、可大规模制备的优点。

Description

一种碱金属盐催化固体有机酸制备石墨烯的方法

技术领域

本发明属于一种石墨烯的制备方法，具体涉及一种碱金属盐催化固体有机酸制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是2004年首次成功获得的由单层sp²杂化碳构成的二维碳质晶体，具有优异的导电性、力学性能、超高的比表面积和对客体分子/离子良好的通过和传输性等，在诸多领域都具有潜在的应用价值。随着研究的深入，宏量获得石墨烯的需求日益强烈。因此，如何实现规模化制备成为制约石墨烯得到进一步研究和应用的亟待解决的问题之一。

早期的制备方法主要是使用胶带或微机械法剥离石墨获得石墨烯。该过程成本高，效率低，难以获得大量的石墨烯，仅限于实验室规模的研究和应用。热解析单晶碳化硅（0001）晶片的表面也可以获得石墨烯，并且采用光刻加工可以将其直接应用于电子器件。但是该过程中需要极高的温度，能耗高；为了控制石墨烯的层厚需要严格控制反应温度；同时所得石墨烯的面积受限于所使用的晶片大小，很难实现宏量制备石墨烯[石墨烯及其在燃料电池催化材料方面的应用：综述，《亚太化学工程》，2013年，第8卷，第218页（Graphene and its application in fuel cell catalysis: a review, Asia-Pac. J. Chem. Eng., 2013, Vol. 8, 218）]。

氧化石墨剥离法被认为是当前可以大量获得石墨烯的有效方法，即使用强氧化剂将石墨氧化并进一步超声剥离获得氧化石墨烯，然后再用还原剂将其还原成石墨烯。强氧化剂的使用严重破坏了石墨烯的共轭结构，产生缺陷，造成其本征电学等性能的损失，需要进行后续的还原处理以修复其电学性能[多功能超轻氮杂石墨烯网络结构，《德国应用化学》，2012年，第51卷，第11371页（A Versatile, Ultralight, Nitrogen-Doped Graphene Framework, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, Vol. 51, 11371）]；而且制备过程繁琐，消耗大量的能量，同时强氧化剂和还原剂的大量使用会对环境造成很大危害。

化学气相沉积法（CVD）以单晶或多晶过渡金属为基底，将含碳前驱体高温分解并沉积到金属基底上获得石墨烯[多功能可卷曲或折叠的大面积石墨烯，《自然材料》，2013年，第12卷，第321页（Multifunctionality and Control of the Crumpling and Unfolding of Large-Area Graphene, Nat. Mater., 2013, Vol. 12, 321)]，过程中碳在金属基底的导向作用下沿二维方向定向生长，可以形成高质量的少数层甚至单层石墨烯；但是实验条件要求苛刻，为了避免π-π作用导致的堆积，必须严格控制反应物浓度和沉积时间，才能获得高质量的石墨烯。另外，在后续应用中需要将石墨烯从基底上转移，或者使用强酸等去除模板，很难实现宏量制备。

发明内容

本发明的目的是提供一种无污染、低成本、工艺简单、可大规模制备的合成石墨烯的方法。

本方法以固体有机酸和碱金属盐为原料，无需对原料进行预处理，一步合成石墨烯。所得石墨烯呈三维网络结构，在有效抑制石墨烯团聚的同时，保持了其优异的性能。同时在规模化制备方面具有明显优势。

本发明的制备方法如下：

（1）将固体有机酸与催化剂混合。

（2）将混合物放置于用惰性或还原性气体保护的反应器中进行反应，反应后在相同气氛保护下冷却到室温，得到固体产物。

（3）将上述固体产物洗涤、过滤、干燥得到石墨烯产品。

所述的固体有机酸包括所有固体有机酸如丁二酸、己二酸、酒石酸、苯甲酸、柠檬酸或月桂酸等。

所述的催化剂为碱金属盐，包括氯化钾、氯化钠、碳酸钾、碳酸钠、硫酸钠、硫酸钾、焦磷酸钠、六偏磷酸钠、磷酸钾、硼酸钠、偏硼酸钠、铝酸钠、偏铝酸钠、正硅酸钠、钨酸钠、钨酸钾、钼酸钠或钼酸钾等。

所述的惰性气氛为氩气或氮气，还原性气氛为氢气等。

所述的固体有机酸与催化剂的摩尔比为1:0.1-24。

所述的混合包括机械研磨混合，浸渍法混合（将其中一种固体浸渍于另一种固体的溶液中，然后去除溶剂得到固体混合物），溶液混合（将固体有机酸和催化剂分别制成溶液混合后，去除溶剂得到固体混合物）等方式。

所述的反应温度为700-1500℃。

所述的反应时间为0.1-120min。

本发明具有如下优点：

（1）所用固体有机酸与碱金属盐等原料价廉易得，无需预处理，有利于降低成本。

（2）合成工艺流程简单，操作简便，影响因素少，便于控制，重复性好。

（3）合成的石墨烯可以保持其形貌而不发生团聚。

（4）金属盐可回收后循环利用。

（5）便于规模化大量合成石墨烯。

附图说明

图1是本发明实施例1石墨烯的扫描电镜 (SEM) 照片。

图2是本发明实施例5石墨烯的扫描电镜 (SEM) 照片。

图3是本发明实施例12石墨烯的扫描电镜 (SEM) 照片。

具体实施方式　　

实施例1

采用机械研磨方式，将丁二酸与碳酸钠按摩尔比1:4混合，取1.5g放置于氩气氛保护的反应器中。在800℃反应2min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤，过滤，干燥, 收集产物。XPS分析结果表明氧含量为7.0%（原子百分比），扫描电镜结果显示样品呈网络状结构，石墨烯片层厚度～4.5nm。

实施例2

采用溶液混合方式，按丁二酸与碳酸钾摩尔比为1:1，将丁二酸与碳酸钾分别制成溶液混合后，去除溶剂得到固体混合物，取2g放置于氮气氛保护的反应器中。在700℃反应120min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤，过滤，干燥, 收集产物。XPS分析结果表明氧含量为10%（原子百分比），扫描电镜结果显示样品呈网络结构，石墨烯片层厚度～4nm

实施例3

采用机械研磨方式，将己二酸与氯化钠按摩尔比1:0.1混合，取1.5g放置于氮气氛保护的反应器中。在1300℃反应0.5min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤，过滤，干燥, 收集产物。XPS分析结果表明氧含量为7%（原子百分比），扫描电镜结果显示样品呈网络状结构，石墨烯片层厚度～2.2nm。

实施例 4

采用机械研磨方式，将酒石酸与硫酸钠按摩尔比1:24混合，取1.5g放置于氮气氛保护反应器中。在750℃反应30min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤，过滤，干燥, 收集产物。XPS分析结果表明氧含量为10%（原子百分比），扫描电镜结果显示样品呈网络状结构，石墨烯片层厚度～5nm。

实施例 5

采用机械研磨方式，将己二酸与六偏磷酸钠按摩尔比1:8混合，取2g放置于氢气氛保护的反应器中。在800℃反应100min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤，过滤，干燥, 收集产物。XPS分析结果表明氧含量为9.5%（原子百分比），扫描电镜结果显示样品呈网络状结构，石墨烯片层厚度～3.5nm。

实施例 6

采用浸渍法，按己二酸与硫酸钾摩尔比为1:12，将己二酸浸渍于硫酸钾溶液中，然后去除溶剂得到固体混合物。取2g放置于氮气氛保护的反应器中。在1000℃反应2min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤，过滤，干燥, 收集产物。XPS分析结果表明氧含量为6.5%（原子百分比），扫描电镜结果显示样品呈网络状结构，石墨烯片层厚度～4.0nm。

实施例7

采用机械研磨方式，将酒石酸与焦磷酸钠按摩尔比1:8混合，取2g放置于氢气氛保护的反应器中。在700℃反应50min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤，过滤，干燥, 收集产物。XPS分析结果表明氧含量为8.5%（原子百分比），扫描电镜结果显示样品呈网络状结构，石墨烯片层厚度～3.5nm。

实施例8

采用机械研磨方式，将苯甲酸与磷酸钾按摩尔比1:16的混合，取2g放置于氢气氛保护的反应器中。在900℃反应2min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤，过滤，干燥, 收集产物。XPS分析结果表明氧含量为8.8%（原子百分比），扫描电镜结果显示样品呈网络结构，石墨烯片层厚度~5.5 nm。

实施例9

采用机械研磨方式，将柠檬酸与正硅酸钠按摩尔比1:0.5混合，取2g放置于氮气氛保护的反应器中。在1050℃反应2min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤，过滤，干燥, 收集产物。XPS分析结果表明氧含量为8.5%（原子百分比），扫描电镜结果显示样品呈网络结构，石墨烯片层厚度～5.5nm。

实施例10

采用溶液混合方式，按苯甲酸与铝酸钠摩尔比为1:4，将苯甲酸与铝酸钠分别制成溶液混合后，去除溶剂得到固体混合物，取1.5g放置于氩气氛保护的反应器中。在1000℃反应2min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤，过滤，干燥, 收集产物。XPS分析结果表明氧含量为7.0%（原子百分比），扫描电镜结果显示样品呈网络状结构，石墨烯片层厚度～4.5nm。

实施例11

采用机械研磨方式，将丁二酸与偏硼酸钠按摩尔比1:1混合，取2g放置于氮气氛保护的反应器中。在700℃反应120min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤，过滤，干燥, 收集产物。XPS分析结果表明氧含量为10%（原子百分比），扫描电镜结果显示样品呈网络结构，石墨烯片层厚度～4nm

实施例12

采用机械研磨方式，将月桂酸与铝酸钠按摩尔比1:0.1混合，取1.5g放置于氮气氛保护的反应器中。在1300℃反应0.5min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤，过滤，干燥, 收集产物。XPS分析结果表明氧含量为7%（原子百分比），扫描电镜结果显示样品呈网络状结构，石墨烯片层厚度～2.2nm。

实施例 13

采用机械研磨方式，将柠檬酸与偏铝酸钠按摩尔比1:24混合，取1.5g放置于氮气氛保护反应器中。在750℃反应30min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤，过滤，干燥, 收集产物。XPS分析结果表明氧含量为10%（原子百分比），扫描电镜结果显示样品呈网络状结构，石墨烯片层厚度～5nm。

实施例 14

采用机械研磨方式，将酒石酸与钨酸钠按摩尔比1:8混合，取2g放置于氢气氛保护的反应器中。在800℃反应40min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤，过滤，干燥, 收集产物。XPS分析结果表明氧含量为9.5%（原子百分比），扫描电镜结果显示样品呈网络状结构，石墨烯片层厚度～3.5nm。

实施例15

采用浸渍方式，按月桂酸与钼酸钾摩尔比为1:2，将钼酸钾浸渍于月桂酸溶液中，然后去除溶剂得到固体混合物。取2g放置于氩气氛保护的反应器中。在1500℃反应0.1min。待产物冷却后，将产物取出，用去离子水洗涤，过滤，60℃真空干燥24h, 收集产物。XPS分析结果表明氧含量为8.5%（原子百分比），扫描电镜结果显示样品呈网络结构，石墨烯片层厚度～3.5nm。

Claims

1. 一种碱金属盐催化固体有机酸制备石墨烯的方法，其特征在于包括如下步骤：

将固体有机酸与催化剂混合；

将混合物放置于用惰性或还原性气体保护的反应器中进行反应，反应后在相同气氛保护下冷却到室温，得到固体产物；

将上述固体产物洗涤、过滤、干燥得到石墨烯产品。

2.如权利要求1所述的一种碱金属盐催化固体有机酸制备石墨烯的方法，其特征在于所述的固体有机酸包括有机酸如丁二酸、己二酸、酒石酸、苯甲酸、柠檬酸或月桂酸。

3.如权利要求1所述的一种碱金属盐催化固体有机酸制备石墨烯的方法，其特征在于所述的催化剂为碱金属盐。

4.如权利要求3所述的一种碱金属盐催化固体有机酸制备石墨烯的方法，其特征在于所述的碱金属盐包括氯化钾、氯化钠、碳酸钾、碳酸钠、硫酸钠、硫酸钾、焦磷酸钠、六偏磷酸钠、磷酸钾、硼酸钠、偏硼酸钠、铝酸钠、偏铝酸钠、正硅酸钠、钨酸钠、钨酸钾、钼酸钠或钼酸钾。

5.如权利要求1所述的一种碱金属盐催化固体有机酸制备石墨烯的方法，其特征在于所述的固体有机酸与催化剂的摩尔比为1:0.1-24。

6.如权利要求1所述的一种碱金属盐催化固体有机酸制备石墨烯的方法，其特征在于所述的惰性气氛为氩气或氮气，还原性气氛为氢气。

7.如权利要求1所述的一种碱金属盐催化固体有机酸制备石墨烯的方法，其特征在于所述的混合包括机械研磨混合，浸渍法混合或溶液混合方式。

8.如权利要求7所述的一种碱金属盐催化固体有机酸制备石墨烯的方法，其特征在于所述浸渍法混合是将其中一种固体浸渍于另一种固体的溶液中，然后去除溶剂得到固体混合物。

9.如权利要求1所述的一种碱金属盐催化固体有机酸制备石墨烯的方法，其特征在于所述溶液混合是将固体有机酸和催化剂分别制成溶液混合后，去除溶剂得到固体混合物。

10.如权利要求1所述的一种碱金属盐催化固体有机酸制备石墨烯的方法，其特征在于所述的反应温度为700-1500℃。

11.如权利要求1所述的一种碱金属盐催化固体有机酸制备石墨烯的方法，其特征在于所述的反应时间为0.1-120min。