CN107364855A - 一种提高石墨烯纯度的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高石墨烯纯度的制备工艺，包括以下步骤：（1）将金属催化剂、金属捕捉剂与碳素材料、葡聚糖、醋酸乙烯‑顺丁烯二酸酐共聚物、淀粉丙烯腈接枝共聚物、纤维素接枝丙烯腈水解产物搅拌混合，进行吸附，得到吸附有金属催化剂的碳源混合物；（2）将还原剂与吸附有金属催化剂的碳源混合物混合后加热，得到石墨烯初品；（3）研磨；（4）将石墨烯初品和磁性钢针研磨体，放入密闭的研磨容器中，将研磨容器置入变换磁场空间内，进行剥离；（5）分离钢针，经过沉降、离心分离后，制得高纯度的石墨烯透明悬浮液。本发明制备工艺简单，石墨烯纯度高，产率高，无污染。
Description
技术领域
本发明涉及碳材料技术领域，特别涉及一种提高石墨烯纯度的制备工艺。
背景技术
石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料，如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的猫。石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数百倍。另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。
作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为"黑金"，是"新材料之王"，科学家甚至预言石墨烯将"彻底改变21世纪"。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。
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效率很低，难以满足大规模的需要。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，却不能满足储能材料及功能复合材料领域的大规模需求。氧化 - 还原法制备石墨烯材料粉体较为容易实现，是制备石墨烯材料粉体的常用方法，但是该方法在制备石墨烯的过程中使用大量强酸和氧化剂，对石墨烯表面破坏严重，并且容易污染环境，因此不适合大规模产业化的石墨烯制备。
在微机械剥离法的基础上，人们试图用传统的球磨方法进行石墨烯的研磨制备大量、小面积的石墨烯或氧化石墨烯，Antisar M.V 等人在水中进行了湿法球磨，得到了厚度10nm 以上的石墨纳米薄片。为了提高石墨烯剥离效率，人们利用大量的微小固体颗粒辅助剥离过程，以增加剥离过程接触面积和剥离次数，但是细小颗粒及液体的去除与分离，存在较大的困难。
本发明提供了一种提高石墨烯纯度的制备工艺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：提供了一种提高石墨烯纯度的制备工艺。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种提高石墨烯纯度的制备工艺，包括以下步骤：
（1）将金属催化剂、金属捕捉剂与碳素材料、葡聚糖、醋酸乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物、淀粉丙烯腈接枝共聚物、纤维素接枝丙烯腈水解产物搅拌混合，进行吸附，得到吸附有金属催化剂的碳源混合物；所述金属催化剂、金属捕捉剂与碳素材料、葡聚糖、醋酸乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物、淀粉丙烯腈接枝共聚物、纤维素接枝丙烯腈水解产物的重量份比为1：（0.4-0.6）：（0.8-1.2） ：（0.1-0.3）：（0.5-0.7）：（0.1-0.3）：（0.3-0.5）；
（2）将还原剂与步骤（1）中的吸附有金属催化剂的碳源混合物混合后，按照升温速率为12-14℃ /min加热至温度为950-1050℃，恒温保持26-28h，得到石墨烯初品；所述还原剂为纳米锌粉末；
（3）将步骤（2）得到的石墨烯初品进行研磨，达到粒度为10000目；
（4）将研磨后的石墨烯初品和磁性钢针研磨体，放入密闭的研磨容器中，将研磨容器置入具有对面分布形成的筒状变换磁场空间内，进行剥离48-58h，剥离后制得石墨纳米微片-石墨烯的混合物干粉；
（5）将步骤（4）制得的石墨纳米微片-石墨烯的混合物干粉分离钢针，经过沉降、离心分离后，制得高纯度的石墨烯透明悬浮液。
进一步地，所述金属催化剂为钼酸锌。
进一步地，所述金属捕捉剂为二乙烯三胺五甲叉膦酸。
进一步地，所述步骤（4）中研磨容器的材质为奥氏体不锈钢。
进一步地，所述步骤（4）中变换磁场空间的变换频率为2600-2800r/min，磁感应强度为 0.8-0.9T。
进一步地，包括以下步骤：
（1）将金属催化剂、金属捕捉剂与碳素材料、葡聚糖、醋酸乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物、淀粉丙烯腈接枝共聚物、纤维素接枝丙烯腈水解产物搅拌混合，进行吸附，得到吸附有金属催化剂的碳源混合物；所述金属催化剂、金属捕捉剂与碳素材料、葡聚糖、醋酸乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物、淀粉丙烯腈接枝共聚物、纤维素接枝丙烯腈水解产物的重量份比为1：0.5：1：0.2：0.6：0.2：0.4；
（2）将还原剂与步骤（1）中的吸附有金属催化剂的碳源混合物混合后，按照升温速率为13℃ /min加热至温度为1000℃，恒温保持27h，得到石墨烯初品；所述还原剂为纳米锌粉末；
（3）将步骤（2）得到的石墨烯初品进行研磨，达到粒度为10000目；
（4）将研磨后的石墨烯初品和磁性钢针研磨体，放入密闭的研磨容器中，将研磨容器置入具有对面分布形成的筒状变换磁场空间内，进行剥离53h，剥离后制得石墨纳米微片-石墨烯的混合物干粉；
（5）将步骤（4）制得的石墨纳米微片-石墨烯的混合物干粉分离钢针，经过沉降、离心分离后，制得高纯度的石墨烯透明悬浮液。
本发明的有益效果：本发明提供一种提高石墨烯纯度的制备工艺，制备工艺简单，石墨烯纯度高，产率高，本发明工艺没有采用强酸或氧化剂等对环境污染
严重的原料，通过离子交换、螯合、吸附等作用，实现均匀的石墨化，提高了石墨化程度，同时，采用极细的磁性钢针作为研磨体，彼此产生的碰撞力极小但碰撞频率却很高，进一步去除细小颗粒及液体，能有效减弱因碰撞而对石墨烯的晶格的破坏作用，恰好适合用于鳞片状石墨的剥离，提高石墨烯纯度。
具体实施方式
以下将结合实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
需要说明的是，为节省说明书撰写篇幅，避免不必要的重复和浪费，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
一种提高石墨烯纯度的制备工艺，包括以下步骤：
（1）将金属催化剂、金属捕捉剂与碳素材料、葡聚糖、醋酸乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物、淀粉丙烯腈接枝共聚物、纤维素接枝丙烯腈水解产物搅拌混合，进行吸附，得到吸附有金属催化剂的碳源混合物；所述金属催化剂、金属捕捉剂与碳素材料、葡聚糖、醋酸乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物、淀粉丙烯腈接枝共聚物、纤维素接枝丙烯腈水解产物的重量份比为1：（0.4-0.6）：（0.8-1.2） ：（0.1-0.3）：（0.5-0.7）：（0.1-0.3）：（0.3-0.5）；
（2）将还原剂与步骤（1）中的吸附有金属催化剂的碳源混合物混合后，按照升温速率为12-14℃ /min加热至温度为950-1050℃，恒温保持26-28h，得到石墨烯初品；所述还原剂为纳米锌粉末；
（3）将步骤（2）得到的石墨烯初品进行研磨，达到粒度为10000目；
（4）将研磨后的石墨烯初品和磁性钢针研磨体，放入密闭的研磨容器中，将研磨容器置入具有对面分布形成的筒状变换磁场空间内，进行剥离48-58h，剥离后制得石墨纳米微片-石墨烯的混合物干粉；
（5）将步骤（4）制得的石墨纳米微片-石墨烯的混合物干粉分离钢针，经过沉降、离心分离后，制得高纯度的石墨烯透明悬浮液。
作为本发明的优先方案，所述金属催化剂为钼酸锌。
作为本发明的优先方案，所述金属捕捉剂为二乙烯三胺五甲叉膦酸。
作为本发明的优先方案，所述步骤（4）中研磨容器的材质为奥氏体不锈钢。
作为本发明的优先方案，所述步骤（4）中变换磁场空间的变换频率为2600-2800r/min，磁感应强度为 0.8-0.9T。
实施例1一种提高石墨烯纯度的制备工艺
一种提高石墨烯纯度的制备工艺，包括以下步骤：
（1）将金属催化剂、金属捕捉剂与碳素材料、葡聚糖、醋酸乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物、淀粉丙烯腈接枝共聚物、纤维素接枝丙烯腈水解产物搅拌混合，进行吸附，得到吸附有金属催化剂的碳源混合物；所述金属催化剂、金属捕捉剂与碳素材料、葡聚糖、醋酸乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物、淀粉丙烯腈接枝共聚物、纤维素接枝丙烯腈水解产物的重量份比为1：0.5：1：0.2：0.6：0.2：0.4；
（2）将还原剂与步骤（1）中的吸附有金属催化剂的碳源混合物混合后，按照升温速率为13℃ /min加热至温度为1000℃，恒温保持27h，得到石墨烯初品；所述还原剂为纳米锌粉末；
（3）将步骤（2）得到的石墨烯初品进行研磨，达到粒度为10000目；
（4）将研磨后的石墨烯初品和磁性钢针研磨体，放入密闭的研磨容器中，将研磨容器置入具有对面分布形成的筒状变换磁场空间内，进行剥离53h，剥离后制得石墨纳米微片-石墨烯的混合物干粉；
（5）将步骤（4）制得的石墨纳米微片-石墨烯的混合物干粉分离钢针，经过沉降、离心分离后，制得高纯度的石墨烯透明悬浮液。
作为本发明的优先方案，所述金属催化剂为钼酸锌。
作为本发明的优先方案，所述金属捕捉剂为二乙烯三胺五甲叉膦酸。
作为本发明的优先方案，所述步骤（4）中研磨容器的材质为奥氏体不锈钢。
作为本发明的优先方案，所述步骤（4）中变换磁场空间的变换频率为2700r/min，磁感应强度为 0.85T。
所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。
Claims (6)
1.一种提高石墨烯纯度的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
将金属催化剂、金属捕捉剂与碳素材料、葡聚糖、醋酸乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物、淀粉丙烯腈接枝共聚物、纤维素接枝丙烯腈水解产物搅拌混合，进行吸附，得到吸附有金属催化剂的碳源混合物；所述金属催化剂、金属捕捉剂与碳素材料、葡聚糖、醋酸乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物、淀粉丙烯腈接枝共聚物、纤维素接枝丙烯腈水解产物的重量份比为1：（0.4-0.6）：（0.8-1.2） ：（0.1-0.3）：（0.5-0.7）：（0.1-0.3）：（0.3-0.5）；
将还原剂与步骤（1）中的吸附有金属催化剂的碳源混合物混合后，按照升温速率为12-14℃ /min加热至温度为950-1050℃，恒温保持26-28h，得到石墨烯初品；所述还原剂为纳米锌粉末；
将步骤（2）得到的石墨烯初品进行研磨，达到粒度为10000目；
将研磨后的石墨烯初品和磁性钢针研磨体，放入密闭的研磨容器中，将研磨容器置入具有对面分布形成的筒状变换磁场空间内，进行剥离48-58h，剥离后制得石墨纳米微片-石墨烯的混合物干粉；
将步骤（4）制得的石墨纳米微片-石墨烯的混合物干粉分离钢针，经过沉降、离心分离后，制得高纯度的石墨烯透明悬浮液。
2.根据权利1所述的一种提高石墨烯纯度的制备工艺，其特征在于，所述金属催化剂为钼酸锌。
3.根据权利1所述的一种提高石墨烯纯度的制备工艺，其特征在于，所述金属捕捉剂为二乙烯三胺五甲叉膦酸。
4.根据权利1所述的一种提高石墨烯纯度的制备工艺，其特征在于，所述步骤（4）中研磨容器的材质为奥氏体不锈钢。
5.根据权利1所述的一种提高石墨烯纯度的制备工艺，其特征在于，所述步骤（4）中变换磁场空间的变换频率为2600-2800r/min，磁感应强度为 0.8-0.9T。
6.根据权利1所述的一种提高石墨烯纯度的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将金属催化剂、金属捕捉剂与碳素材料、葡聚糖、醋酸乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物、淀粉丙烯腈接枝共聚物、纤维素接枝丙烯腈水解产物搅拌混合，进行吸附，得到吸附有金属催化剂的碳源混合物；所述金属催化剂、金属捕捉剂与碳素材料、葡聚糖、醋酸乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物、淀粉丙烯腈接枝共聚物、纤维素接枝丙烯腈水解产物的重量份比为1：0.5：1：0.2：0.6：0.2：0.4；
（2）将还原剂与步骤（1）中的吸附有金属催化剂的碳源混合物混合后，按照升温速率为13℃ /min加热至温度为1000℃，恒温保持27h，得到石墨烯初品；所述还原剂为纳米锌粉末；
（3）将步骤（2）得到的石墨烯初品进行研磨，达到粒度为10000目；
（4）将研磨后的石墨烯初品和磁性钢针研磨体，放入密闭的研磨容器中，将研磨容器置入具有对面分布形成的筒状变换磁场空间内，进行剥离53h，剥离后制得石墨纳米微片-石墨烯的混合物干粉；
将步骤（4）制得的石墨纳米微片-石墨烯的混合物干粉分离钢针，经过沉降、离心分离后，制得高纯度的石墨烯透明悬浮液。
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| CN104556001A (zh) * | 2014-12-19 | 2015-04-29 | 林前锋 | 石墨烯的高纯度制备方法 |
| CN104876217A (zh) * | 2015-06-01 | 2015-09-02 | 北京理工大学 | 一种石墨烯的制备方法 |
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