CN109292757A - 一种石墨烯及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯及其制备方法，将金属镁与氧化镁的混合物放入容器中；在氩气气氛的保护下，以1‑15℃/min的升温速率将容器中的温度升至400‑900℃，温度达到最高值后向容器中通入CO2气体；对容器保温10‑180min，之后停止通入CO2气体，在氩气气氛的保护下，将容器冷却至室温，制得黑色粉末；在黑色粉末中加入适量酸，充分反应后，用去离子水充分洗涤至中性，烘干后制得石墨烯。本发明一种石墨烯及其制备方法，采用镁热还原法，在金属镁与多孔氧化镁的混合物中通入CO2进行高温煅烧，制备出高比表面积、高电导率的富含介孔储能石墨烯。本发明具有过程简单，处理设备要求低，原料来源广，价格低，处理过程对环境无害等优点，并能够实现工业化生产。

Description

一种石墨烯及其制备方法
技术领域
本发明涉及超级电容器电极碳材料领域，特别涉及一种石墨烯及其制备方法。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构材料，因其高强度、高热导率、高导电性及高比表面积等优点受到了研究者的广泛重视。石墨烯理论电导率可达106S/cm，理论导热性能可达5300W/(m•K)，同时他们都具有高的比表面积（-103m2/g量级），这些性质均表明sp2纳米碳是一类优异的电化学储能材料，有望成为新一代电池和超级电容器电极材料。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。
发明内容
本发明的目的是提供一种石墨烯及其制备方法，过程简单、设备要求低、能够规模化制备石墨烯，制得的石墨烯具有较高的比表面积和电导率。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种石墨烯及其制备方法，包括以下步骤：
（1）将金属镁与氧化镁的混合物放入容器中；
（2）在氩气气氛的保护下，以1-15℃/min的升温速率将所述容器中的温度升至400-900℃，温度达到最高值后向所述容器中通入CO2气体；
（3）对所述容器保温10-180min，之后停止通入CO2气体，在氩气气氛的保护下，将所述容器冷却至室温，制得黑色粉末；
（4）在所述黑色粉末中加入适量酸，充分反应后，用去离子水充分洗涤至中性，烘干后制得石墨烯。
优选地，所述氧化镁为多孔氧化镁。
更优选地，所述多孔氧化镁是由向MgCO3•3H2O中，以250ml/min的流量通入氩气，同时以10℃/min的加热速率加热MgCO3•3H2O至500℃，并保温1小时后制得的。
更进一步优选地，所述MgCO3•3H2O是由1mol/L的Na2CO3溶液与1mol/L的MgCl2溶液以1:1的质量比相互混合反应后，用乙醇洗涤3-5次，在真空环境中以40-50℃的温度烘干后制得的。
优选地，金属镁与氧化镁的混合物，是由质量比为1:8的金属镁和氧化镁在研钵中研磨10-40min后制得的。
优选地，所述容器中，通入氩气的流量为60-120ml/min；温度达到最高值后，通入CO2的流量为100-140ml/min，同时将通入氩气的流量减至40-60ml/min。
优选地，在所述黑色粉末中加入的酸为1-3mol/L的盐酸。
优选地，步骤（4）中，在真空干燥箱以25-40℃的温度进行烘干。
一种石墨烯，由上述制备方法制得。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明一种石墨烯及其制备方法，采用镁热还原法，在金属镁与多孔氧化镁的混合物中通入CO2进行高温煅烧，制备出高比表面积、高电导率的富含介孔储能石墨烯。本发明具有过程简单，处理设备要求低，原料来源广，价格低，处理过程对环境无害等优点，并能够实现工业化生产。解决了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。
本发明还具有下列优点：
与传统化学气相沉积和化学剥离法等石墨烯制备方法相比，本发明制备方法简单、成本低廉、重现性好、易于应用；
制备的石墨烯材料具有很高的比表面积，比表面积可达600-1500m2/g；
制得的石墨烯是超级电容器的优良电极材料，电导率高于5000S/m，用作锂离子电池、锂空气电池以及其它电池的导电材料时，优于其它导电添加剂。
附图说明
附图1-4为实施例1制得的石墨烯的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
实施例1
（1）将100ml 1mol/L的Na2CO3溶液加入100ml 1mol/L MgCl2溶液中，搅拌30min后，滤出沉淀物并用乙醇洗涤4次，以完全除去Na+离子；将产物放入真空干燥箱中，在40℃的温度下烘干，制得MgCO3•3H2O。
（2）向MgCO3•3H2O中，以250ml/min的流量通入氩气，同时以10℃/min的加热速率加热MgCO3•3H2O至500℃，并保温1小时后，制得多孔氧化镁。
（3）将金属镁与步骤（2）中制得的多孔氧化镁以1:8的质量比在研钵中研磨混合30min后，放入高温炉中，以80ml/min的流量通入氩气，在氩气气氛的保护下，以5℃/min升温速率升至650℃；当温度达到650℃后通入CO2气体，CO2气体的流量为120ml/min，同时将氩气的流量减至60ml/min；接着对容器保温30min，之后停止通入CO2气体，在氩气气氛的保护下，冷却至室温，容器中制得黑色粉末。
（4）在步骤（3）中制得的黑色粉末中加入1mol/L的盐酸，充分反应后，测得溶液的pH值为5；用去离子水充分洗涤至中性，放入真空干燥箱中，在25℃的温度下烘干，制得石墨烯。
参见图1-4所示，为实施例1中制得的多孔石墨烯的扫描电镜图。图1中可以明显的看出经过镁热反应在氧化镁模板下形成的石墨烯的整体体型形貌，在图2和图3放大后可以看出，制得的石墨烯具有类似网状的片层结构，片层相互连接之间形成较大的网孔，石墨烯片层大小在1-5微米左右，片层边缘不规则，同时有部分卷曲等现象。在放大80K的图4中可以观察到片层表面具有石墨烯明显的层间褶皱等相貌特征。
实施例2
（1）将100ml 1mol/L的Na2CO3溶液加入100ml 1mol/L MgCl2溶液中，搅拌50min后，滤出沉淀物并用乙醇洗涤4次，以完全除去Na+离子；将产物放入真空干燥箱中，在50℃的温度下烘干，制得MgCO3•3H2O。
（2）向MgCO3•3H2O中，以250ml/min的流量通入氩气，同时以10℃/min的加热速率加热MgCO3•3H2O至500℃，并保温1小时后，制得多孔氧化镁。
（3）将金属镁与步骤（2）中制得的多孔氧化镁以1:8的质量比在研钵中研磨混合40min后，放入高温炉中，以60ml/min的流量通入氩气，在氩气气氛的保护下，以3℃/min升温速率升至750℃；当温度达到750℃后通入CO2气体，CO2气体的流量为100ml/min，同时将氩气的流量减至50ml/min；接着对容器保温40min，之后停止通入CO2气体，在氩气气氛的保护下，冷却至室温，容器中制得黑色粉末。
（4）在步骤（3）中制得的黑色粉末中加入3mol/L的盐酸，充分反应后，测得溶液的pH值为3；用去离子水充分洗涤至中性，放入真空干燥箱中，在40℃的温度下烘干，制得石墨烯。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种石墨烯及其制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将金属镁与氧化镁的混合物放入容器中；
（2）在氩气气氛的保护下，以1-15℃/min的升温速率将所述容器中的温度升至400-900℃，温度达到最高值后向所述容器中通入CO2气体；
（3）对所述容器保温10-180min，之后停止通入CO2气体，在氩气气氛的保护下，将所述容器冷却至室温，制得黑色粉末；
（4）在所述黑色粉末中加入适量酸，充分反应后，用去离子水充分洗涤至中性，烘干后制得石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯及其制备方法，其特征在于：所述氧化镁为多孔氧化镁。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯及其制备方法，其特征在于：所述多孔氧化镁是由向MgCO3•3H2O中，以250ml/min的流量通入氩气，同时以10℃/min的加热速率加热MgCO3•3H2O至500℃，并保温1小时后制得的。
4.根据权利要求3所述的一种石墨烯及其制备方法，其特征在于：所述MgCO3•3H2O是由1mol/L的Na2CO3溶液与1mol/L的MgCl2溶液以1:1的质量比相互混合反应后，用乙醇洗涤3-5次，在真空环境中以40-50℃的温度烘干后制得的。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯及其制备方法，其特征在于：金属镁与氧化镁的混合物，是由质量比为1:8的金属镁和氧化镁在研钵中研磨10-40min后制得的。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯及其制备方法，其特征在于：所述容器中，通入氩气的流量为60-120ml/min；温度达到最高值后，通入CO2的流量为100-140ml/min，同时将通入氩气的流量减至40-60ml/min。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯及其制备方法，其特征在于：在所述黑色粉末中加入的酸为1-3mol/L的盐酸。
8.根据权利要求1所述的一种石墨烯及其制备方法，其特征在于：步骤（4）中，在真空干燥箱以25-40℃的温度进行烘干。
9.一种石墨烯，由权利要求1-8中任一项所述的制备方法制得。
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