CN106185889A - 一种石墨烯材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种石墨烯材料及其制备方法，原料为氢氧化钾、对苯二甲醛、绿矾、石墨、十二烷基磺酸钠、氯化镁、乙二醇单丁醚、氯化钙、四甲基碳酸氢铵和溴化镍；力学性能和机械性能优异，导电性能和导热性能优异；原料价格低廉，操作简单易行，提高电池的大电流放电性能、低温性能；不仅可以用于燃料电池氧还原反应非贵金属催化剂，还可用于超级电容器、锂离子电池等能量存储领域以及工业催化、环境处理等领域；不依赖于大型仪器设备，产品大电流充放电循环性能优异。

Description

一种石墨烯材料及其制备方法

技术领域

本申请属于石墨烯材料的制备领域，尤其涉及一种石墨烯材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的对苯二甲醛薄片。他们从高定向热解对苯二甲醛中剥离出对苯二甲醛片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把对苯二甲醛片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。因此，在随后三年内, 安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应，他们也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。

在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯在实验中被制备出来。

石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。碳原子之间由σ键连接，结合方式为sp2杂化，这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石。在石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的p电子，这些p电子可以在晶体中自由移动，且运动速度高达光速的1/300，赋予了石墨烯良好的导电性。石墨烯是新一代的透明导电材料，在可见光区，四层石墨烯的透过率与传统的ITO薄膜相当，在其它波段，四层石墨烯的透过率远远高于ITO薄膜。

石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜。人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能，超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，2013年一般的电脑芯片以这种方式浪费了72%-81%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非比寻常的优良特性。

中国在石墨烯研究上也具有独特的优势，从生产角度看，作为石墨烯生产原料的对苯二甲醛，在我国储能丰富，价格低廉。另外，批量化生产和大尺寸生产是阻碍石墨烯大规模商用的最主要因素。而我国最新的研究成果已成功突破这两大难题，制造成本已从5000元/克降至3元/克，解决了这种材料的量产难题。利用化学气相沉积法成功制造出了国内首片15英寸的单层石墨烯，并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上，制备出了7英寸石墨烯触摸屏。

中科院重庆绿色智能技术研究院的研究人员在展示单层石墨烯产品的超强透光性和柔性。

中国石墨烯产业技术创新战略联盟率领贝特瑞、正泰集团、常州第六元素、亿阳集团等四家上市公司的代表参加了西班牙的石墨烯会议，并分别与意大利、瑞典代表团签订了深度战略合作协议，为“石墨烯全球并购，中国整合”战略打响了第一枪。此外，3月初全球首批3万部量产石墨烯手机在重庆发布，开启了石墨烯产业化应用的新时代。石墨烯入选“十三五”新材料规划已经基本落定，预计2015年将成为中国石墨烯产业爆发元年，随着社会城市化、科技化、人性化的发展，设计一种不易被破坏、产率高且可规模化生产的石墨烯材料及其制备方法，成本低廉，以满足市场需求，是非常必要的。

发明内容

解决的技术问题：

本申请针对现有石墨烯复合物产率低、易受强氧化剂破坏和成本高等技术问题，提供一种石墨烯材料及其制备方法。

技术方案：

一种石墨烯材料，所述石墨烯材料的原料按重量份数配比如下：氢氧化钾100份，对苯二甲醛5-15份，绿矾4-8份，石墨2-8份，十二烷基磺酸钠1-3份，氯化镁4-6份，乙二醇单丁醚10-12份，氯化钙3-7份，四甲基碳酸氢铵6-10份，溴化镍7-9份。

作为本发明的一种优选技术方案：所述石墨烯材料的原料按重量份数配比如下：氢氧化钾100份，对苯二甲醛5份，绿矾4份，石墨2份，十二烷基磺酸钠1份，氯化镁4份，乙二醇单丁醚10份，氯化钙3份，四甲基碳酸氢铵6份，溴化镍7份。

作为本发明的一种优选技术方案：所述石墨烯材料的原料按重量份数配比如下：氢氧化钾100份，对苯二甲醛15份，绿矾8份，石墨8份，十二烷基磺酸钠3份，氯化镁6份，乙二醇单丁醚12份，氯化钙7份，四甲基碳酸氢铵10份，溴化镍9份。

作为本发明的一种优选技术方案：所述石墨烯材料的原料按重量份数配比如下：氢氧化钾100份，对苯二甲醛10份，绿矾6份，石墨5份，十二烷基磺酸钠2份，氯化镁5份，乙二醇单丁醚11份，氯化钙5份，四甲基碳酸氢铵8份，溴化镍8份。

一种所述石墨烯材料的制备方法，包括如下步骤：

第一步：按重量份数配比称取氢氧化钾、对苯二甲醛、绿矾、石墨、十二烷基磺酸钠、氯化镁、乙二醇单丁醚、氯化钙、四甲基碳酸氢铵和溴化镍；

第二步：在室温下，将原料在研磨机中研磨50-60分钟，使其混合均匀；

第三步：将混合均匀的原料置于带盖的陶瓷坩埚中，再将带盖的陶瓷坩埚放入管式炉中在高纯氮气保护下首先加热至550-650℃，保温反应1-5小时，然后进一步加热至800-1000℃，保温反应2-4小时，制得石墨烯材料。

有益效果：

本发明所述一种石墨烯材料及其制备方法采用以上技术方案和现有技术相比，具有以下技术效果：1、力学性能和机械性能优异，导电性能和导热性能优异；2、原料价格低廉，操作简单易行，提高电池的大电流放电性能、低温性能；3、不仅可以用于燃料电池氧还原反应非贵金属催化剂，还可用于超级电容器、锂离子电池等能量存储领域以及工业催化、环境处理等领域；4、不依赖于大型仪器设备，产品大电流充放电循环性能优异，可以广泛生产并不断代替现有材料。

具体实施方式

实施例1:

按重量份数配比称取氢氧化钾100份，对苯二甲醛5份，绿矾4份，石墨2份，十二烷基磺酸钠1份，氯化镁4份，乙二醇单丁醚10份，氯化钙3份，四甲基碳酸氢铵6份，溴化镍7份。

在室温下，将原料在研磨机中研磨50分钟，使其混合均匀。

将混合均匀的原料置于带盖的陶瓷坩埚中，再将带盖的陶瓷坩埚放入管式炉中在高纯氮气保护下首先加热至550℃，保温反应1小时，然后进一步加热至800℃，保温反应2小时，制得石墨烯材料。

力学性能和机械性能优异，导电性能和导热性能优异；原料价格低廉，操作简单易行，提高电池的大电流放电性能、低温性能；不仅可以用于燃料电池氧还原反应非贵金属催化剂，还可用于超级电容器、锂离子电池等能量存储领域以及工业催化、环境处理等领域；不依赖于大型仪器设备，产品大电流充放电循环性能优异。

实施例2：

按重量份数配比称取氢氧化钾100份，对苯二甲醛15份，绿矾8份，石墨8份，十二烷基磺酸钠3份，氯化镁6份，乙二醇单丁醚12份，氯化钙7份，四甲基碳酸氢铵10份，溴化镍9份。

在室温下，将原料在研磨机中研磨60分钟，使其混合均匀。

将混合均匀的原料置于带盖的陶瓷坩埚中，再将带盖的陶瓷坩埚放入管式炉中在高纯氮气保护下首先加热至650℃，保温反应5小时，然后进一步加热至1000℃，保温反应4小时，制得石墨烯材料。

力学性能和机械性能优异，导电性能和导热性能优异；原料价格低廉，操作简单易行，提高电池的大电流放电性能、低温性能；不仅可以用于燃料电池氧还原反应非贵金属催化剂，还可用于超级电容器、锂离子电池等能量存储领域以及工业催化、环境处理等领域；不依赖于大型仪器设备，产品大电流充放电循环性能优异。

实施例3：

按重量份数配比称取氢氧化钾100份，对苯二甲醛10份，绿矾6份，石墨5份，十二烷基磺酸钠2份，氯化镁5份，乙二醇单丁醚11份，氯化钙5份，四甲基碳酸氢铵8份，溴化镍8份。

在室温下，将原料在研磨机中研磨55分钟，使其混合均匀。

将混合均匀的原料置于带盖的陶瓷坩埚中，再将带盖的陶瓷坩埚放入管式炉中在高纯氮气保护下首先加热至600℃，保温反应3小时，然后进一步加热至900℃，保温反应3小时，制得石墨烯材料。

力学性能和机械性能优异，导电性能和导热性能优异；原料价格低廉，操作简单易行，提高电池的大电流放电性能、低温性能；不仅可以用于燃料电池氧还原反应非贵金属催化剂，还可用于超级电容器、锂离子电池等能量存储领域以及工业催化、环境处理等领域；不依赖于大型仪器设备，产品大电流充放电循环性能优异。

以上实施例中的所有组分均可以商业购买。

上述实施例只是用于对本发明的内容进行阐述，而不是限制，因此在和本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应该认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (5)

1.一种石墨烯材料，其特征在于，所述石墨烯材料的原料按重量份数配比如下：氢氧化钾100份，对苯二甲醛5-15份，绿矾4-8份，石墨2-8份，十二烷基磺酸钠1-3份，氯化镁4-6份，乙二醇单丁醚10-12份，氯化钙3-7份，四甲基碳酸氢铵6-10份，溴化镍7-9份。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯材料，其特征在于：所述石墨烯材料的原料按重量份数配比如下：氢氧化钾100份，对苯二甲醛5份，绿矾4份，石墨2份，十二烷基磺酸钠1份，氯化镁4份，乙二醇单丁醚10份，氯化钙3份，四甲基碳酸氢铵6份，溴化镍7份。

3.根据权利要求1所述的一种石墨烯材料，其特征在于：所述石墨烯材料的原料按重量份数配比如下：氢氧化钾100份，对苯二甲醛15份，绿矾8份，石墨8份，十二烷基磺酸钠3份，氯化镁6份，乙二醇单丁醚12份，氯化钙7份，四甲基碳酸氢铵10份，溴化镍9份。

4.根据权利要求1所述的一种石墨烯材料，其特征在于：所述石墨烯材料的原料按重量份数配比如下：氢氧化钾100份，对苯二甲醛10份，绿矾6份，石墨5份，十二烷基磺酸钠2份，氯化镁5份，乙二醇单丁醚11份，氯化钙5份，四甲基碳酸氢铵8份，溴化镍8份。

5.一种权利要求1所述石墨烯材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：按重量份数配比称取氢氧化钾、对苯二甲醛、绿矾、石墨、十二烷基磺酸钠、氯化镁、乙二醇单丁醚、氯化钙、四甲基碳酸氢铵和溴化镍；

第二步：在室温下，将原料在研磨机中研磨50-60分钟，使其混合均匀；

第三步：将混合均匀的原料置于带盖的陶瓷坩埚中，再将带盖的陶瓷坩埚放入管式炉中在高纯氮气保护下首先加热至550-650℃，保温反应1-5小时，然后进一步加热至800-1000℃，保温反应2-4小时，制得石墨烯材料。