CN105000556A - 一种规模化制备石墨烯的方法 - Google Patents

一种规模化制备石墨烯的方法 Download PDF

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陈崇
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Abstract

一种规模化制备石墨烯的方法，本发明涉及一种规模化制备石墨烯的方法，本发明的目的是为了解决现有制备石墨烯的方法无法大规模生产、成本高，后处理工艺复杂且易造成环境污染的问题，方法为：将尿素和镁粉按照质量比1:(0.5-1)均匀混合，将混合物置于惰性气体中以2-50℃/min于700℃～1400℃保持1～20小时，冷却至室温后，经过酸洗、超声、抽滤、烘干即可得到石墨烯。该方法工艺简单、生产周期短、反应物成分简单且廉价成本低、易于规模化生产，可用于制备作为锂离子电池、锂空气电池和超级电容器电极材料以及燃料电池氧化还原催化剂等新能源材料，本发明属于石墨烯制备技术领域。

Description

一种规模化制备石墨烯的方法
技术领域
本发明涉及一种规模化制备石墨烯的方法，属于石墨烯制备技术领域。
背景技术
石墨烯是平面单层碳原子紧密结合形成的二维蜂窝晶格材料，由于其独特的化学结构、超大的比表面积以及无与伦比的电学、力学、热学等性能在新能源材料、传感器、吸附材料、光催化材料、生物材料及各类复合材料领域具有广泛的应用前景。目前制备石墨烯的方法主要有：微机械剥离法、氧化还原化学剥离法、溶剂热法、晶体表面外延生长法、SiC表面石墨化法、化学气相沉积法等，然而，现有方法都有无法大规模生产的缺点，最常用的溶剂热法采用天然石墨、高锰酸钾，浓硫酸和浓硝酸制备石墨烯，具有成本高，后处理工艺复杂且易造成环境污染的问题。因此，寻找一种具有工艺简单、价格低廉、容易实现工业化大规模生产等优点的石墨烯制备方法成为了该领域的研究热点。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有制备石墨烯的方法无法大规模生产、成本高，后处理工艺复杂且易造成环境污染的问题，提供一种规模化制备石墨烯的方法。
本发明一种规模化制备石墨烯的方法，包括以下步骤：
一、将尿素和镁粉按照质量比1:(0.5～10)的比例混合，得到混合物A；
二、将混合物A置于惰性气体中，然后以2～50℃/min的升温速率升温至700℃～1400℃，保持1～20h，冷却至室温后，再经过酸洗、超声、抽滤、烘干即得到石墨烯。
本发明的有益效果在于：本发明原料为尿素和镁粉，成本低廉，且后处理时仅用稀酸，工艺简单、操作方便、对环境污染较小，此外本方法生产周期短、易于规模化生产，制备的石墨烯均一、层数少，可用于制备作为锂离子电池、锂空气电池和超级电容器电极材料以及燃料电池氧化还原催化剂等新能源材料。
附图说明
图1为实施例二制备的石墨烯的场发射扫描电镜(FESEM)图片；
图2为实施例二制备的石墨烯的X射线衍射花样(XRD)；
图3为实施例一、二、四、六和七制备的石墨烯的拉曼光谱图；其中a为实施例一制备的石墨烯；b为实施例二制备的石墨烯；c为实施例四制备的石墨烯；d为实施例六制备的石墨烯；e为实施例七制备的石墨烯；
图4为实施例八～十一制备的石墨烯的拉曼光谱图；其中a为实施例八制备的石墨烯；b为实施例九制备的石墨烯；c为实施例十制备的石墨烯；d为实施例十一制备的石墨烯。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种规模化制备石墨烯的方法，包括以下步骤：
一、将尿素和镁粉按照质量比1:(0.5～10)的比例混合，得到混合物A；
二、将混合物A置于惰性气体中，然后以2～50℃/min的升温速率升温至700℃～1400℃，保持1～20h，冷却至室温后，再经过酸洗、超声、抽滤、烘干即得到石墨烯。
本实施方式的有益效果在于：本发明原料为尿素和镁粉，成本低廉，且后处理时仅用稀酸，工艺简单、操作方便、对环境污较小，此外本方法生产周期短、易于规模化生产，制备的石墨烯均一、层数少，可用于制备作为锂离子电池、锂空气电池和超级电容器电极材料以及燃料电池氧化还原催化剂等新能源材料。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述的尿素和镁粉按照质量比1:1的比例混合。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述的尿素和镁粉按照质量比1:2的比例混合。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一所述的尿素和镁粉按照质量比1:3的比例混合。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一所述的尿素和镁粉按照质量比1:5的比例混合。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二所述的保持时间为2h。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二所述的以5℃/min的升温速率升温至800℃。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二所述的以5℃/min的升温速率升温至900℃。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二所述的以5℃/min的升温速率升温至1000℃。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤二所述的以5℃/min的升温速率升温至1100℃。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤二所述的以5℃/min的升温速率升温至1200℃。其它与具体实施方式一至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：步骤二所述的惰性气体为氮气、氩气和氦气中的一种或几种按任意比混合的混合气体。其它与具体实施方式一至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：步骤二中酸洗所用的酸为盐酸、硫酸、硝酸和磷酸中的一种或几种按任意比混合的混合物，酸洗所用酸的浓度为1mol/L。其它与具体实施方式一至十二之一相同。
通过以下试验验证本发明的有益效果：
实施例一：本实施例规模化制备石墨烯的方法，包括以下步骤：
一、将尿素和镁粉按照质量比1:1的比例混合，得到混合物A；
二、将混合物A置于惰性气体中，然后以5℃/min的升温速率升温至700℃，保持2h，冷却至室温后，再经过酸洗、超声、抽滤、烘干即得到石墨烯。
本实施例采用浓度为1mol/L的硫酸进行酸洗。
实施例二：本实施例规模化制备石墨烯的方法，包括以下步骤：
一、将尿素和镁粉按照质量比1:1的比例混合，得到混合物A；
二、将混合物A置于惰性气体中，然后以5℃/min的升温速率升温至800℃，保持2h，冷却至室温后，再经过酸洗、超声、抽滤、烘干即得到石墨烯。
本实施例采用浓度为1mol/L的硫酸进行酸洗。
本实施例中所制得产物的FESEM图如图1所示，从图1可以看出本实施例中所制得样品具有片状结构。
本实施例中所制得产物的X射线衍射花样图如图2所示，从图2可以看到一个非常尖锐的衍射峰出现在26.2°对应于石墨的[002]衍射面，这表明本实施例中所制得样品是有一种高度有序的石墨结构。
实施例三：本实施例规模化制备石墨烯的方法，包括以下步骤：
一、将尿素和镁粉按照质量比1:1的比例混合，得到混合物A；
二、将混合物A置于惰性气体中，然后以5℃/min的升温速率升温至900℃，保持2h，冷却至室温后，再经过酸洗、超声、抽滤、烘干即得到石墨烯。
本实施例采用浓度为1mol/L的硫酸进行酸洗。
实施例四：本实施例规模化制备石墨烯的方法，包括以下步骤：
一、将尿素和镁粉按照质量比1:1的比例混合，得到混合物A；
二、将混合物A置于惰性气体中，然后以5℃/min的升温速率升温至1000℃，保持2h，冷却至室温后，再经过酸洗、超声、抽滤、烘干即得到石墨烯。
本实施例采用浓度为1mol/L的硫酸进行酸洗。
实施例五：本实施例规模化制备石墨烯的方法，包括以下步骤：
一、将尿素和镁粉按照质量比1:1的比例混合，得到混合物A；
二、将混合物A置于惰性气体中，然后以5℃/min的升温速率升温至1100℃，保持2h，冷却至室温后，再经过酸洗、超声、抽滤、烘干即得到石墨烯。
本实施例采用浓度为1mol/L的硫酸进行酸洗。
实施例六：本实施例规模化制备石墨烯的方法，包括以下步骤：
一、将尿素和镁粉按照质量比1:1的比例混合，得到混合物A；
二、将混合物A置于惰性气体中，然后以5℃/min的升温速率升温至1200℃，保持2h，冷却至室温后，再经过酸洗、超声、抽滤、烘干即得到石墨烯。
本实施例采用浓度为1mol/L的硫酸进行酸洗。
实施例七：本实施例规模化制备石墨烯的方法，包括以下步骤：
一、将尿素和镁粉按照质量比1:1的比例混合，得到混合物A；
二、将混合物A置于惰性气体中，然后以5℃/min的升温速率升温至1400℃，保持2h，冷却至室温后，再经过酸洗、超声、抽滤、烘干即得到石墨烯。
本实施例采用浓度为1mol/L的硫酸进行酸洗。
实施例一、二、四、六和七制备的石墨烯的拉曼光谱图如图3所示，a为实施例一制备的石墨烯；b为实施例二制备的石墨烯；c为实施例四制备的石墨烯；d为实施例六制备的石墨烯；e为实施例七制备的石墨烯；从图中可以看出D峰，G峰和2D峰，说明实施例一、二、四、六和七成功制备出石墨烯，且通过2D峰和G峰的比值，可以看出制得的石墨烯层数较少。
实施例八：本实施例规模化制备石墨烯的方法，包括以下步骤：
一、将尿素和镁粉按照质量比1:2的比例混合，得到混合物A；
二、将混合物A置于惰性气体中，然后以5℃/min的升温速率升温至800℃，保持2h，冷却至室温后，再经过酸洗、超声、抽滤、烘干即得到石墨烯。
本实施例采用浓度为1mol/L的盐酸进行酸洗。
图3a为本实施例中所制得产物的拉曼光谱，从图中可以看出D峰，G峰和2D峰，说明本实施例中所制得样品是石墨烯。
实施例九：本实施例规模化制备石墨烯的方法，包括以下步骤：
一、将尿素和镁粉按照质量比1:3的比例混合，得到混合物A；
二、将混合物A置于惰性气体中，然后以5℃/min的升温速率升温至800℃，保持2h，冷却至室温后，再经过酸洗、超声、抽滤、烘干即得到石墨烯。
本实施例采用浓度为1mol/L的盐酸进行酸洗。
实施例十：本实施例规模化制备石墨烯的方法，包括以下步骤：
一、将尿素和镁粉按照质量比1:4的比例混合，得到混合物A；
二、将混合物A置于惰性气体中，然后以5℃/min的升温速率升温至800℃，保持2h，冷却至室温后，再经过酸洗、超声、抽滤、烘干即得到石墨烯。
本实施例采用浓度为1mol/L的盐酸进行酸洗。
图3c为本实施例中所制得产物的拉曼光谱，从图中可以看出D峰，G峰和2D峰，说明本实施例中所制得样品是石墨烯。
实施例十一：本实施例规模化制备石墨烯的方法，包括以下步骤：
一、将尿素和镁粉按照质量比1:5的比例混合，得到混合物A；
二、将混合物A置于惰性气体中，然后以5℃/min的升温速率升温至800℃，保持2h，冷却至室温后，再经过酸洗、超声、抽滤、烘干即得到石墨烯。
本实施例采用浓度为1mol/L的盐酸进行酸洗。
实施例八～十一制备的石墨烯的拉曼光谱图如图4所示，a为实施例八制备的石墨烯；b为实施例九制备的石墨烯；c为实施例十制备的石墨烯；d为实施例十一制备的石墨烯；从图中可以看出D峰，G峰和2D峰，说明实施例八～十一成功制备出石墨烯，且通过2D峰和G峰的比值，可以看出制得的石墨烯层数较少。
实施例十二：本实施例规模化制备石墨烯的方法，包括以下步骤：
一、将尿素和镁粉按照质量比1:0.5的比例混合，得到混合物A；
二、将混合物A置于惰性气体中，然后以5℃/min的升温速率升温至800℃，保持2h，冷却至室温后，再经过酸洗、超声、抽滤、烘干即得到石墨烯。
本实施例采用浓度为1mol/L的磷酸进行酸洗。
以上所述的具体描述，仅为本发明的较佳实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种规模化制备石墨烯的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
一、将尿素和镁粉按照质量比1:(0.5～10)的比例混合，得到混合物A；
二、将混合物A置于惰性气体中，然后以2～50℃/min的升温速率升温至700℃～1400℃，保持1～20h，冷却至室温后，再经过酸洗、超声、抽滤、烘干即得到石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种规模化制备石墨烯的方法，其特征在于步骤一所述的尿素和镁粉按照质量比1:1的比例混合。
3.根据权利要求1所述的一种规模化制备石墨烯的方法，其特征在于步骤一所述的尿素和镁粉按照质量比1:2的比例混合。
4.根据权利要求1所述的一种规模化制备石墨烯的方法，其特征在于步骤一所述的尿素和镁粉按照质量比1:3的比例混合。
5.根据权利要求1所述的一种规模化制备石墨烯的方法，其特征在于步骤一所述的尿素和镁粉按照质量比1:5的比例混合。
6.根据权利要求1所述的一种规模化制备石墨烯的方法，其特征在于步骤二所述的保持时间为2h。
7.根据权利要求1所述的一种规模化制备石墨烯的方法，其特征在于步骤二所述的以5℃/min的升温速率升温至800℃。
8.根据权利要求1所述的一种规模化制备石墨烯的方法，其特征在于步骤二所述的以5℃/min的升温速率升温至900℃。
9.根据权利要求1所述的一种规模化制备石墨烯的方法，其特征在于步骤二所述的惰性气体为氮气、氩气和氦气中的一种或几种按任意比混合的混合气体。
10.根据权利要求1所述的一种规模化制备石墨烯的方法，其特征在于步骤二中酸洗所用的酸为盐酸、硫酸、硝酸和磷酸中的一种或几种按任意比混合的混合物，酸洗所用酸的浓度为1mol/L。
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