CN105621400A - 一种以碳酸盐为原料制备石墨烯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于碳材料制备技术领域,特别涉及一种以碳酸盐为原料制备石墨烯的方法。首先将以碳酸盐与高分子化合物混合作为碳源前驱物,将碳源前驱物泵入双螺杆挤出机,通过分散螺纹元件,使碳酸盐包覆在高分子化合物形成的网络结构中,然后通过混炼螺纹元件,在高温热拉伸条件下使碳源前驱物变为热塑性物料,再通过脱挥螺纹元件,利用在高温高热的条件下,使挥发分排除,形成疏松多孔结构,最后通过挤压形成薄片,再通过高温催化反应,并洗涤干燥得到石墨烯。本发明制备石墨烯工艺简单、原料来源广泛成本低,产率高,纯度高,可实现规模化生产。
Description
技术领域
本发明属于碳材料技术领域,特别涉及一种以碳酸盐为原料制备石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯作为一种新型的二维材料,由碳原子按照六边形进行排布,相互连接,形成一个碳分子,其结构非常稳定;随着所连接的碳原子数量不断增多,这个二维的碳分子平面不断扩大,分子也不断变大。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度,即0.335纳米,相当于一根头发的20万分之一的厚度,1毫米厚的石墨中将将近有150万层左右的石墨烯。并且石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体。自从英国曼彻斯特大学的AKGeim、KSNovoselov等研究人员于2004年利用胶带剥离定向石墨发现石墨烯以来,这种具有各种优异特性的材料,在电子、传感、能源、复合材料、医疗、储能、催化、航空航天等领域展示出了广阔的应用前景。
至今为止,已发现石墨烯具有非凡的物理及电学性质,其厚度仅为单层碳原子直径,是世界上最薄、比表面积最大、强度最高、热导率最高、室温下平均自由程最长、易于修饰及大规模生产等。
目前,可采用多种方法制备得到石墨烯材料粉体,如机械剥离法、氧化还原法、晶体外延生长法、化学气相沉积法、有机合成法和剥离碳纳米管法等。在这些方法中,机械剥离法和外延生长法制备石墨烯易破坏石墨烯结构、产率较低,难以满足大规模生产。化学气相沉积法虽然可以获得大尺寸连续的石墨烯薄膜,但适用于微纳电子器件或透明导电薄膜,却不能满足市场大规模需求。氧化还原法制备石墨烯材料粉体的成本较高,工艺复杂。
中国专利公开号103466608A公开了一种石墨烯的球磨制备法,本发明将石墨碳与烷基六元芳环或稠环聚醚型非离子表面活性剂的质量体积比为1:2~1:15和去离子水混合装于球磨罐,固定于球磨机以200-500rpm的转速球磨5-30小时;再转入去离子水中,以3000-8000rpm的转速离心10-30min,得到黑色上层胶体悬浮液,制得不同浓度石墨烯水溶液。本发明利用球磨机易破坏石墨烯晶体结构,且产率较低,无法规模化生产。
中国专利公开号104528696A公开了一种石墨烯的制备方法及石墨烯,包括以下步骤:A)将碳源和金属捕捉剂混合,得到改性碳源,所述碳源包括离子交换树脂、淀粉、纤维素和无定形碳中的一种或几种;B)将金属催化剂与所述步骤A)中的改性碳源混合,进行吸附,得到吸附有金属催化剂的碳源;C)将所述步骤B)中的吸附有金属催化剂的碳源进行加热,得到石墨烯。本发明利用金属捕捉剂吸附金属催化剂影响因素较多,无法有效的获得石墨烯,产率较低,成本高,不利于规模化生产。
发明内容
本发明针对上述问题,提出一种以碳酸盐为原料制备石墨烯的方法。将以碳酸盐与高分子化合物混合作为碳源前驱物,将碳源前驱物泵入双螺杆挤出机,通过分散螺纹元件,使碳酸盐包覆在高分子化合物形成的网络结构中,然后通过混炼螺纹元件,在高温热拉伸条件下使碳源前驱物变为热塑性物料,再通过脱挥螺纹元件,利用在高温高热的条件下,使挥发分排除,形成疏松多孔结构,最后通过挤压形成薄片,高温催化,并洗涤干燥得到石墨烯。本发明制备方法重复性好,对环境友好,制备石墨烯工艺简单、原料来源广泛成本低,产率高,纯度高,可实现规模化生产,具有广阔的应用前景。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种以碳酸盐为原料制备石墨烯的方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)将碳酸盐与高分子化合物按质量比为8:(2~3)加入高速混合机中以2000~3000rpm的速度高速搅拌分散5~10min得到碳源前驱物;
(2)将步骤(1)中得到的碳源前驱物泵入螺杆挤出机加料口中,螺杆由进料端向末端依次设置分散螺纹元件、混炼螺纹元件、脱挥螺纹元件,设置分散螺纹元件段反应温度为130~180℃,碳源前驱物通过分散螺纹元件,使碳酸盐包覆在高分子化合物形成的网络结构中;然后通过混炼螺纹元件,设置该段反应温度为180~220℃,在高温热拉伸条件下使碳源前驱物变为热塑性物料,再通过脱挥螺纹元件,利用在高温高热的条件下,使挥发分排除,形成疏松多孔结构,设置温度为200~230℃;最后通过挤压形成薄片;
(3)将步骤(2)中得到的薄片在水溶液中通过洗涤、振荡,放入管式炉中,在180~250℃的空气氛围下干燥15~30min;
(4)在惰性气体保护条件下,将管式炉的温度升温至800~1000℃,加入催化剂反应120~150min,在惰性气体氛围中冷却至25℃,得到石墨烯初级产物;
(5)将步骤(4)得到的石墨烯初级产物在盐酸溶液中反应8~12min,然后用水洗涤至中性并干燥,最后得到石墨烯;
所述的碳酸盐为碳酸钙、碳酸镁、碳酸钡、碳酸钠、碳酸铝中的至少一种,所述的高分子化合物为聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙二醇、苯乙烯—丁二烯—苯乙烯三嵌段共聚物、聚酰亚胺中的至少一种;
所述的催化剂为铯盐、异丙醇铝、二氧化锰、三氧化二锑、氯化亚铜中的一种;
上述步骤(1)中所述的高速混合机为锥形螺杆螺带混合机,该混合机由摆线针轮减速机、螺杆、外层螺带等组成,通过快速转动产生的离心力将碳酸盐与高分子化合物沿切线方向抛向空间,使其产生强烈的对流剪切、扩散,从而达到快速混合均匀的目的。
上述步骤(2)中所述的螺杆挤出机为锥形同向双螺杆挤出机,螺杆长径比为60~75:1,螺杆由进料端向末端依次设置为分散螺纹元件、混炼螺纹元件、脱挥螺纹元件、压缩螺纹元件、同向螺纹元件,该挤出机,挤出力大、塑化性能好、产量高、能耗低,将碳源前驱物挤压得到薄片,使石墨烯有效的规则均匀生长,其最后得到的石墨烯纯度、产率高。
上述步骤(4)中所述的催化剂其加入量按质量比催化剂:碳酸盐=(0.03~0.05):3。
本发明一种以碳酸盐为原料制备石墨烯的方法,首先将以碳酸盐与高分子化合物为碳源在高速搅拌的条件下形成碳源前驱物,使其充分混合均匀,将碳源前驱物泵入双螺杆挤出机,通过分散螺纹元件,使碳酸盐包覆在高分子化合物形成的网络结构中,使形成的石墨烯结构均匀,然后通过混炼螺纹元件,在高温热拉伸条件下使碳源前驱物变为热塑性物料,利于热塑性加工得到薄片,再通过脱挥螺纹元件,利用在高温高热的条件下,使挥发分排除,杂质减少,使得到的石墨烯纯度高,形成疏松多孔结构增加了与催化剂反应表面,使其充分反应产率得到提高,然后通过挤压形成薄片,可均匀生长得到石墨烯。
本发明一种以碳酸盐为原料制备石墨烯的方法,与现有技术相比突出的特点和有益的效果在于:
1、本发明一种以碳酸盐为原料制备石墨烯的方法,通过双螺杆挤出机处理使碳酸盐包覆在高分子化合物形成的网络结构中,挥发分排除,形成疏松多孔结构挤压成片增大了与催化剂的反应表面,反应活性得到提高,其能有效使石墨烯规则均匀生长,得到的石墨烯纯度高、产率高。
2、本发明一种以碳酸盐为原料制备石墨烯的方法,其原材料来源广泛,其制备工艺简单、成本低,利用双螺杆挤出机易于推广和连续化生产等优点。
具体实施方式
实施例1
(1)将碳酸钙与聚乙烯基吡咯烷酮按质量比8:2加入锥形螺杆螺带混合机中以2000rpm的速度高速搅拌分散5min得到碳源前驱物;
(2)将步骤(1)中得到的碳源前驱物泵入锥形同向双螺杆挤出机加料口中,螺杆由进料端向末端依次设置分散螺纹元件、混炼螺纹元件、脱挥螺纹元件,设置分散螺纹元件段反应温度为130℃,碳源前驱物通过分散螺纹元件,使碳酸钙包覆在聚乙烯基吡咯烷酮形成的网络结构中;然后通过混炼螺纹元件,设置该段反应温度为180℃,在高温热拉伸条件下使碳源前驱物变为热塑性物料,再通过脱挥螺纹元件,利用在高温高热的条件下,使挥发分排除,形成疏松多孔结构,设置温度为200℃;最后通过挤压形成薄片;
(3)将步骤(2)中得到的薄片在水溶液中通过洗涤、振荡,放入管式炉中,在180℃的空气氛围下干燥15min;
(4)在惰性气体保护条件下,将管式炉中的温度升温至800℃,按质量比铯盐:碳酸钙=0.03:3加入铯盐反应120min,在惰性气体氛围中冷却至25℃,得到石墨烯初级产物。
(5)将步骤(4)得到的产物在盐酸溶液中反应8min,然后用水洗涤至中性并干燥,最后得到石墨烯
实施例2
(1)将碳酸镁与聚丙烯酰胺溶液按质量比为8:2.1加入锥形螺杆螺带混合机中以2100rpm的速度高速搅拌分散6min得到碳源前驱物;
(2)将步骤(1)中得到的碳源前驱物泵入锥形同向双螺杆挤出机加料口中,螺杆由进料端向末端依次设置分散螺纹元件、混炼螺纹元件、脱挥螺纹元件,设置分散螺纹元件段反应温度为140℃,碳源前驱物通过分散螺纹元件,使碳酸镁包覆在聚丙烯酰胺形成的网络结构中;然后通过混炼螺纹元件,设置该段反应温度为185℃,在高温热拉伸条件下使碳源前驱物变为热塑性物料,再通过脱挥螺纹元件,利用在高温高热的条件下,使挥发分排除,形成疏松多孔结构,设置温度为205℃;最后通过挤压形成薄片;
(3)将步骤(2)中得到的薄片在水溶液中通过洗涤、振荡,放入管式炉中,在190℃的空气氛围下干燥16min;
(4)在惰性气体保护条件下,将管式炉中的温度升温至850℃,按质量比异丙醇铝:碳酸钙=0.032:3加入异丙醇铝反应130min,在惰性气体氛围中冷却至25℃,得到石墨烯初级产物;
(5)将步骤(4)得到的产物在盐酸溶液中反应9min,然后用水洗涤至中性并干燥,最后得到石墨烯。
实施例3
(1)将碳酸钡与聚对苯二甲酸乙二醇酯溶液按质量比为8:2.2加入锥形螺杆螺带混合机以2200rpm的速度高速搅拌分散7min得到碳源前驱物;
(2)将步骤(1)中得到的碳源前驱物泵入锥形同向双螺杆挤出机加料口中,螺杆由进料端向末端依次设置分散螺纹元件、混炼螺纹元件、脱挥螺纹元件,设置分散螺纹元件段反应温度为150℃,碳源前驱物通过分散螺纹元件,使碳酸钡包覆在聚对苯二甲酸乙二醇酯形成的网络结构中;然后通过混炼螺纹元件,设置该段反应温度为195℃,在高温热拉伸条件下使碳源前驱物变为热塑性物料,再通过脱挥螺纹元件,利用在高温高热的条件下,使挥发分排除,形成疏松多孔结构,设置温度为210℃;最后通过挤压形成薄片;
(3)将步骤(2)中得到的薄片在水溶液中通过洗涤、振荡,放入管式炉中,在220℃的空气氛围下干燥20min;
(4)在惰性气体保护条件下,将管式炉中的温度升温至900℃,按质量比二氧化锰:碳酸钡=0.04:3加入二氧化锰反应140min,在惰性气体氛围中冷却至25℃,得到石墨烯初级产物;
(5)将步骤(4)得到的产物在盐酸溶液中反应10min,然后用水洗涤至中性并干燥,最后得到石墨烯。
实施例4
(1)将碳酸钠与聚乙二醇溶液按质量比为8:2.5加入锥形螺杆螺带混合机中以2900rpm的速度高速搅拌分散9min得到碳源前驱物;
(2)将步骤(1)中得到的浆料泵入锥形同向双螺杆挤出机加料口中,螺杆由进料端向末端依次设置分散螺纹元件、混炼螺纹元件、脱挥螺纹元件,设置分散螺纹元件段反应温度为170℃,碳源前驱物通过分散螺纹元件,使碳酸钠包覆在聚乙二醇形成的网络结构中;然后通过混炼螺纹元件,设置该段反应温度为210℃,在高温热拉伸条件下使碳源前驱物变为热塑性物料,再通过脱挥螺纹元件,利用在高温高热的条件下,使挥发分排除,形成疏松多孔结构,设置温度为210℃;最后通过挤压形成薄片;
(3)将步骤(2)中得到的薄片在水溶液中通过洗涤、振荡,放入管式炉中,在240℃的空气氛围下干燥28min;
(4)在惰性气体保护条件下,将管式炉中的温度升温至950℃,按质量比三氧化二锑:碳酸钠=0.045:3加入三氧化二锑反应145min,在惰性气体氛围中冷却至25℃,得到石墨烯初级产物;
(5)将步骤(4)得到的产物在盐酸溶液中反应11min,然后用水洗涤至中性并干燥,最后得到石墨烯。
实施例5
(1)将碳酸铝与苯乙烯—丁二烯—苯乙烯三嵌段共聚物溶液按质量比为8:3加入锥形螺杆螺带混合机中以3000rpm的速度高速搅拌分散10min得到碳源前驱物;
(2)将步骤(1)中得到的浆料泵入双螺杆挤出机加料口中,螺杆由进料端向末端依次设置分散螺纹元件、混炼螺纹元件、脱挥螺纹元件,设置分散螺纹元件段反应温度为180℃,碳源前驱物通过分散螺纹元件,使碳酸铝包覆在苯乙烯—丁二烯—苯乙烯三嵌段共聚物形成的网络结构中;然后通过混炼螺纹元件,设置该段反应温度为220℃,在高温热拉伸条件下使碳源前驱物变为热塑性物料,再通过脱挥螺纹元件,利用在高温高热的条件下,使挥发分排除,形成疏松多孔结构,设置温度为230℃;最后通过挤压形成薄片;
(3)将步骤(2)中得到的薄片在水溶液中通过洗涤、振荡,放入高温反应器中,在250℃的空气氛围下干燥30min;
(4)在惰性气体保护条件下,将高温反应器中的温度升温至1000℃,按质量比氯化亚铜:碳酸铝=0.05:3加入氯化亚铜反应150min,在惰性气体氛围中冷却至25℃,得到石墨烯初级产物;
(5)将步骤(4)得到的产物在盐酸溶液中反应12min,然后用水洗涤至中性并干燥,最后得到石墨烯。
Claims (4)
1.一种以碳酸盐为原料制备石墨烯的方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)将碳酸盐与高分子化合物按质量比为8:(2~3)加入高速混合机中以2000~3000rpm的速度高速搅拌分散5~10min得到碳源前驱物;
(2)将步骤(1)中得到的碳源前驱物泵入螺杆挤出机加料口中,螺杆由进料端向末端依次设置分散螺纹元件、混炼螺纹元件、脱挥螺纹元件,设置分散螺纹元件段反应温度为130~180℃,碳源前驱物通过分散螺纹元件,使碳酸盐包覆在高分子化合物形成的网络结构中;然后通过混炼螺纹元件,设置该段反应温度为180~220℃,在高温热拉伸条件下使碳源前驱物变为热塑性物料,再通过脱挥螺纹元件,利用在高温高热的条件下,使挥发分排除,形成疏松多孔结构,设置温度为200~230℃;最后通过挤压形成薄片;
(3)将步骤(2)中得到的薄片在水溶液中通过洗涤、振荡,放入管式炉中,在180~250℃的空气氛围下干燥15~30min;
(4)在惰性气体保护条件下,将管式炉的温度升温至800~1000℃,加入催化剂反应120~150min,在惰性气体氛围中冷却至25℃,得到石墨烯初级产物;
(5)将步骤(4)得到的石墨烯初级产物在盐酸溶液中反应8~12min,然后用水洗涤至中性并干燥,最后得到石墨烯;
所述的碳酸盐为碳酸钙、碳酸镁、碳酸钡、碳酸钠、碳酸铝中的至少一种,所述的高分子化合物为聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙二醇、苯乙烯—丁二烯—苯乙烯三嵌段共聚物、聚酰亚胺中的至少一种;所述的催化剂为铯盐、异丙醇铝、二氧化锰、三氧化二锑、氯化亚铜中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种以碳酸盐为原料制备石墨烯的方法,其特征在于步骤(1)中所述的高速混合机为锥形螺杆螺带混合机,该混合机由摆线针轮减速机、螺杆、外层螺带等组成,通过快速转动产生的离心力将碳酸盐与高分子化合物沿切线方向抛向空间,使其产生强烈的对流剪切、扩散,从而达到快速混合均匀的目的。
3.根据权利要求1所述的一种以碳酸盐为原料制备石墨烯的方法,其特征在于步骤(2)中所述的螺杆挤出机为锥形同向双螺杆挤出机,螺杆长径比为60~75:1。
4.根据权利要求1所述的一种以碳酸盐为原料制备石墨烯的方法,其特征在于步骤(4)中所述的催化剂其加入量按质量比催化剂:碳酸盐=(0.03~0.05):3。
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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