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一种以汽爆法制备石墨烯的方法 Download PDF

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Abstract

一种以汽爆法制备石墨烯的方法，包括以下步骤：（1）使用石墨制备氧化石墨烯；（2）将已制备的氧化石墨烯与分散液混合后进行超声分散并搅拌，得到氧化石墨烯溶液；（3）将氧化石墨烯溶液置于汽爆泄压阀中，控制升温速率为5℃/min～15℃/min，升温至300℃～500℃，保温2h～10h后瞬间卸压，得到反应产物；（4）将反应产物洗涤、干燥后获得石墨烯。本发明操作简单，制备时间短，无污染，成本低，产量高，可用于锂电池电极材料、润滑材料，也可用于医药、催化或者做特种喷涂材料，还可直接或合成做发动机气缸的耐磨材料。

Description

一种以汽爆法制备石墨烯的方法
技术领域
本发明涉及石墨烯材料领域，特别是一种以汽爆法制备石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子以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，是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料。它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-8 Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料，特别是具有超大的理论比表面积2630m2/g。
石墨烯拥有巨大的应用前景，这就要求寻找一种快速、高效、廉价的制备方法来满足日益增长的需求。目前国内外石墨烯产能低、质量不稳定的情况普遍存在，大多是采用化学方法制备石墨烯，这对石墨烯的性能影响很大，同时存在环境污染严重、原料成本高、反应条件苛刻、产量低等问题，实用性不强。
CN201310262842.X公开了一种发泡膨胀法制备石墨烯的方法，其采用石墨烯/聚氨酯复合材料制备石墨烯，制备过程没有使用强氧化性、强刺激性物质；然而该方法操作引入了新的化学物质，增加成本，且制备时间长，不利于快速工业化生产。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种操作简单，制备时间短，无污染，成本低，产量高的以汽爆法制备石墨烯的方法。
本发明的技术方案是：
一种以汽爆法制备石墨烯的方法，包括以下步骤：
（1）使用石墨制备氧化石墨烯；
（2）将已制备的氧化石墨烯与分散液混合后进行超声分散并搅拌，得到氧化石墨烯溶液；
（3）将氧化石墨烯溶液置于汽爆泄压阀中，控制升温速率为5℃/min～15℃/min，升温至300℃～500℃，保温2h～10h后瞬间卸压，得到反应产物；
（4）将反应产物洗涤、干燥后获得石墨烯。
进一步，所述使用石墨制备氧化石墨烯的步骤包括：
（1）在反应釜中加入300~500ml强酸，再加入6g石墨，常温，搅拌1小时；
（2）加入氧化剂0~16g，搅拌2小时，得到混合物；
（3）将混合物离心，所得滤渣采用纯水洗涤两次；
（4）向洗涤过的滤渣中加入双氧水5ml，再加水搅拌均匀并洗涤压滤，得到氧化石墨烯。
进一步，所述强酸为硫酸、氯磺酸、磷酸、硝酸、氟磺酸的一种或几种，酸的浓度不低于50%。
进一步，所述氧化剂为高锰酸钾、碘酸钾、高铁酸钾中的一种或几种。
进一步，所述混合物离心时的离心速度为8000~10000rpm，离心时间为10~20min；混合物离心所用的离心液可重复使用。
进一步，步骤（2）中，将已制备的氧化石墨烯与分散液混合进行超声分散并搅拌20min，得到氧化石墨烯溶液。
进一步，所述汽爆泄压阀包括从下到上依次安装的阀座、阀体和阀盖，所述阀座与阀体之间设有加热底座，所述加热底座的上方设有活塞式阀瓣，所述活塞式阀瓣连接阀杆，所述阀杆的末端穿过阀体和阀盖后连接压簧。
进一步，所述氧化石墨烯溶液从加热底座的入口进入，控制升温速率为5℃/min～15℃/min（优选为6℃/min～9℃/min，更优选为10℃/min～14℃/min），升温至300℃～500℃（优选为350℃～400℃，更优选为430℃～480℃），产生的高压气体推动活塞式阀瓣向上移动，阀杆将压簧压弯，待保温2h～10h（优选为3h～5h，更优选为6h～9h）后，打开阀体的出气口进行卸压，即在加热底座内得到反应产物。
进一步，所述将氧化石墨烯溶液置于汽爆泄压阀中，控制升温速率为6℃/min～9℃/min，升温至350℃～400℃，保温3h～5h后瞬间卸压，得到反应产物。
进一步，所述将氧化石墨烯溶液置于汽爆泄压阀中，控制升温速率为10℃/min～14℃/min，升温至430℃～480℃，保温6h～9h后瞬间卸压，得到反应产物。
本发明与现有技术相比具有如下特点：通过高速剥离石墨得到氧化石墨烯，利用压力膨胀剥开石墨烯片层，操作简单，制备时间短，无污染，成本低，产量高，可用于锂电池电极材料、润滑材料，也可用于医药，催化或者做特种喷涂材料（如不沾锅、自洁玻璃镀膜等），还可直接或合成做发动机气缸的耐磨材料等。
附图说明
图1为本发明实施例反应釜的结构示意图；
图2为本发明实施例汽爆泄压阀未工作时的结构示意图；
图3为本发明实施例汽爆泄压阀工作时的结构示意图；
图4为本发明实施例制备的石墨烯的SEM电镜图片。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。
装置实施例：
实施例1
氧化石墨烯在反应釜内进行制备。如图1所示：反应釜包括容器本体1，容器本体1的上端一侧设有加料口11，底部设有出料口12，中部设有电机2，电机2的下部安装有转子3，转子3的外侧安装有定子4。通过转子3的高速离心运行可快速剥离石墨，制备出氧化石墨烯，缩短制备时间。
实施例2
石墨烯在汽爆泄压阀内进行制备。如图2所示：汽爆泄压阀包括从下到上依次安装的阀座5、阀体6和阀盖7，阀座5与阀体6之间设有加热底座8，加热底座8的上方设有活塞式阀瓣61，活塞式阀瓣61连接阀杆62，阀杆62的末端穿过阀体6和阀盖7后连接压簧9。
工作时，如图3所示：汽爆泄压阀将氧化石墨烯溶液从加热底座8的入口处泵入，经加热获得高温高压，进而推动活塞式阀瓣61向上运动，阀杆62将压簧9压弯；利用压力膨胀剥开石墨烯片层，待完全拨开后，打开阀体6的出气口进行卸压，从而得到石墨烯。采用汽爆泄压阀制备石墨烯能够缩短制备时间，且工作时阀体6内形成密闭空间，安全系数高，无污染，所制备出的石墨烯产量高。
方法实施例：
实施例1
（1）在反应釜中加入400ml、98%的硫酸，加入6g石墨，常温，搅拌1小时，再加入高锰酸钾12g，搅拌2小时；（2）以8000rpm的转速离心20min，离心液可重复使用，离心所得滤渣用纯水洗涤两次，向洗涤过的滤渣中加入双氧水5ml，再加水搅拌均匀并洗涤压滤，得到氧化石墨烯；（3）将氧化石墨烯与分散液混合后进行超声分散并搅拌，得到氧化石墨烯溶液；（4）转入汽爆泄压阀中，控制升温速率为5℃/min～10℃/min，升温至300℃～500℃，保温2h～4h后瞬间卸压，得到反应产物；再将反应产物洗涤、干燥后获得石墨烯，如图4所示。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：控制升温速率为6℃/min～15℃/min，升温至350℃～500℃，保温2h～4h。其它与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：控制升温速率为6℃/min～9℃/min，升温至350℃～400℃，保温3h～5h。其它与实施例1相同。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于：控制升温速率为10℃/min～14℃/min，升温至430℃～480℃，保温6h～9h。其它与实施例1相同。
实施例5
本实施例与具体实施例1不同的是：控制升温速率为8℃/min～10℃/min，升温至320℃～400℃，保温3h～6h。其它与实施例1相同。
实施例6
本实施例与具体实施例1不同的是：控制升温速率为7℃/min～12℃/min，升温至420℃～450℃，保温3h～5h。其它与实施例1相同。
实施例7
本实施例与具体实施例1不同的是：控制升温速率为7℃/min～14℃/min，升温至460℃～490℃，保温2h～3h。其它与实施例1相同。
实施例8
本实施例与具体实施例1不同的是：控制升温速率为9℃/min～12℃/min，升温至310℃～350℃，保温2h。其它与实施例1相同。
实施例9
本实施例与具体实施例1不同的是：控制升温速率为10℃/min～12℃/min，升温至360℃～400℃，保温4h。其它与实施例1相同。
实施例10
本实施例与具体实施例1不同的是：控制升温速率为13℃/min～15℃/min，升温至410℃～450℃，保温5h。其它与实施例1相同。
采用本实施例1~10的方法所制备出的石墨烯的产量为5g~6g。
以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动、变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1. 一种以汽爆法制备石墨烯的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）使用石墨制备氧化石墨烯；
（2）将已制备的氧化石墨烯与分散液混合后进行超声分散并搅拌，得到氧化石墨烯溶液；
（3）将氧化石墨烯溶液置于汽爆泄压阀中，控制升温速率为5℃/min～15℃/min，升温至300℃～500℃，保温2h～10h后瞬间卸压，得到反应产物；
（4）将反应产物洗涤、干燥后获得石墨烯。
2.根据权利要求1所述以汽爆法制备石墨烯的方法，其特征在于：所述使用石墨制备氧化石墨烯的步骤包括：
（1）在反应釜中加入300~500ml强酸，再加入6g石墨，常温，搅拌1小时；
（2）加入氧化剂0~16g，搅拌2小时，得到混合物；
（3）将混合物离心，所得滤渣采用纯水洗涤两次；
（4）向洗涤过的滤渣中加入双氧水5ml，再加水搅拌均匀并洗涤压滤，得到氧化石墨烯。
3.根据权利要求2所述以汽爆法制备石墨烯的方法，其特征在于：所述强酸为硫酸、氯磺酸、磷酸、硝酸、氟磺酸的一种或几种，酸的浓度不低于50%。
4.根据权利要求2或3所述以汽爆法制备石墨烯的方法，其特征在于：所述氧化剂为高锰酸钾、碘酸钾、高铁酸钾中的一种或几种。
5.根据权利要求2或3所述以汽爆法制备石墨烯的方法，其特征在于：所述混合物离心时的离心速度为8000~10000rpm，离心时间为10~20min；混合物离心所用的离心液可重复使用。
6.根据权利要求1所述以汽爆法制备石墨烯的方法，其特征在于：步骤（2）中，将已制备的氧化石墨烯与分散液混合进行超声分散并搅拌20min，得到氧化石墨烯溶液。
7.根据权利要求1或2或3所述以汽爆法制备石墨烯的方法，其特征在于：所述汽爆泄压阀包括从下到上依次安装的阀座、阀体和阀盖，所述阀座与阀体之间设有加热底座，所述加热底座的上方设有活塞式阀瓣，所述活塞式阀瓣连接阀杆，所述阀杆的末端穿过阀体和阀盖后连接压簧。
8.根据权利要求7所述以汽爆法制备石墨烯的方法，其特征在于：所述氧化石墨烯溶液从加热底座的入口进入，控制升温速率为5℃/min～15℃/min，升温至300℃～500℃，产生的高压气体推动活塞式阀瓣向上移动，阀杆将压簧压弯，待保温2h～10h后，打开阀体的出气口进行卸压，即在加热底座内得到反应产物。
9.根据权利要求1或2或3所述以汽爆法制备石墨烯的方法，其特征在于：所述将氧化石墨烯溶液置于汽爆泄压阀中，控制升温速率为6℃/min～9℃/min，升温至350℃～400℃，保温3h～5h后瞬间卸压，得到反应产物。
10.根据权利要求1或2或3所述以汽爆法制备石墨烯的方法，其特征在于：所述将氧化石墨烯溶液置于汽爆泄压阀中，控制升温速率为10℃/min～14℃/min，升温至430℃～480℃，保温6h～9h后瞬间卸压，得到反应产物。
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