CN102464312B - 石墨烯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种石墨烯的制备方法,包括如下步骤:在保护气氛下加热可膨胀石墨;将加热后的可膨胀石墨溶解在溶剂中,配制成膨胀石墨溶液;将所述膨胀石墨溶液放置于密闭容器内,再进行微波加热处理;及对膨胀石墨溶液依次进行冷却、离心沉淀和干燥处理,即得到石墨烯。上述石墨烯的制备方法的成本较低、产率较高。
Description
【技术领域】
本发明属于有机半导体材料技术领域,具体涉及一种石墨烯的制备方法。
【背景技术】
自从英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等在2004年制备出石墨烯材料,由于其独特的结构和光电性质受到了人们广泛的重视。单层石墨由于其大的比表面积,优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数而被认为是理想的材料。如:①高强度,杨氏模量,(1,100GPa),断裂强度:(125GPa);②高热导率,(5,000W/mK);③高导电性、载流子传输率,(200,000cm2/V·s);④高的比表面积,(理论计算值:2,630m2/g)。尤其是其高导电性质,大的比表面性质和其单分子层二维的纳米尺度的结构性质,可在超级电容器和锂离子电池中用作电极材料。
到目前为止,已知的制备石墨烯的方法有如下几种:(1)微机械剥离法。这种方法只能产生数量极为有限石墨烯片,可作为基础研究;(2)超高真空石墨烯外延生长法。这种方法的高成本以及小圆片的结构限制了其应用;(3)氧化-还原法。整个过程涉及到将石墨氧化成氧化石墨,氧化石墨剥落产生的石墨烯氧化物,再通过化学或热还原为石墨烯。此方法合成的石墨烯较容易产生缺陷;(4)化学气相沉积法(CVD)。此方法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求,但成本较高,工艺复杂。(5)溶剂剥离法。此方法缺点是产率很低,限制它的商业应用;(6)电解法。此方法可合成大量的石墨烯,但是合成出的石墨烯的表面均带有大量的正离子或负离子或有机物。(7)溶剂热法。此方法合成的石墨烯纯度较高,但是反应时间相对较长,并且产率只有1%~5%。
【发明内容】
基于此,有必要提供一种成本较低、纯度高及产率较高的石墨烯的制备方法。
一种石墨烯的制备方法,包括如下步骤:在保护气氛下加热可膨胀石墨;将加热后的可膨胀石墨溶解在溶剂中,配制成膨胀石墨溶液;将膨胀石墨溶液放置于密闭容器内,再进行微波加热处理;及对膨胀石墨溶液依次进行冷却、离心沉淀和干燥处理,即得到石墨烯。
在优选的实施方式中,所述可膨胀石墨的平均粒径为300~500μm,纯度为95~99.5%。
在优选的实施方式中,所述加热温度为800℃~1200℃,时间为60s~120s。
在优选的实施方式中,所述保护气氛为体积分数为2%~7%H2和93%~98%Ar组成的混合气体。
在优选的实施方式中,所述溶剂为DMF或C6F5CN。
在优选的实施方式中,所述膨胀石墨溶液的浓度为0.05g/L~0.1g/L。
在优选的实施方式中,所述微波加热处理的功率为600W~800W。
在优选的实施方式中,所述微波加热处理的加热温度为180~300℃,加热时间为5~15分钟。
在优选的实施方式中,所述离心的速率为600~900rpm,时间为90~120分钟。
在优选的实施方式中,所述干燥的温度为80~100℃。
上述制备方法的优点在于:①采用膨胀石墨作为原材料,价格便宜成本低,较易剥离成石墨烯,并且可大大提高产率;②将溶剂热法和微波法这两种方法相结合,在得到高纯度石墨烯的同时,具有高效和节能的优点;③采用的设备简单,操作方便,生产步骤少,适合于大规模生产;④避免使用水合肼等有毒害的试剂,在反应混合物中引入的杂质少,保证产物的纯度高。所合成的石墨烯作为电极材料可应用与超级电容器中;⑤通过控制微波加热的功率、时间等参数,可容易地调整对石墨处理的强弱程度。此外,微波法开停方便,具有高效和节能的优点。
【附图说明】
图1是一实施方式的石墨烯的制备方法的流程图。
图2为使用一实施方式的石墨烯的制备方法制备的石墨烯的SEM图。
【具体实施方式】
下面将结合附图及实施例对石墨烯的制备方法作进一步的详细说明。
请参阅图1,一实施方式的石墨烯的制备方法包括如下步骤:
步骤S101,提供可膨胀石墨。该可膨胀石墨是符合国标GB/T 10698-1989的可膨胀石墨,一般指经特殊处理后遇高温可瞬间膨胀成蠕虫状的天然晶质石墨。本实施方式所使用的可膨胀石墨的平均直径为300~500μm,纯度为95~99.5%。
步骤S102,在保护气氛下加热该可膨胀石墨。本实施方式中,将可膨胀石墨在通入混合保护气体(2%~7%H2和93%~98%Ar)的条件下,加热至800℃~1200℃,处理时间为60s~120s(秒),使可膨胀石墨膨胀。当然,也可以采用N2等其他保护气体。
步骤S103,将加热后的可膨胀石墨溶解到溶剂中,配制成膨胀石墨溶液。本实施方式中,将该加热后的可膨胀石墨加入到DMF(二甲基甲酰胺)或C6F5CN(五氟苯腈)中,经超声溶解后,配制成浓度为0.05~0.1g/L的膨胀石墨溶液。
步骤S104,将膨胀石墨溶液放置于密闭容器内,再进行微波加热处理。本实施方式中,首先将该膨胀石墨溶液放入密闭的石英反应釜中,然后将该石英反应釜放入微波炉中,调节使得微波的功率达到600~800W,在180~300℃的温度下加热5~15分钟。微波加热震荡可使膨胀石墨材料进一步分散。
步骤S105,对膨胀石墨溶液依次进行冷却、离心沉淀和干燥处理,即得到石墨烯。本实施方式中,将反应釜冷却至室温,将黑色的沉淀物离心沉淀后过滤出来,用丙酮和乙醇反复清洗,并在80~100℃的真空干燥箱中干燥,最终得到高纯度95~99.5%的石墨烯,最终产率可到达10~15%。其中离心的速率为600~900rpm,时间为90~120分钟。
上述制备方法的优点在于:①采用膨胀石墨作为原材料,价格便宜成本低,较易剥离成石墨烯,并且可大大提高产率;②将溶剂热法和微波法这两种方法相结合,在得到高纯度石墨烯的同时,具有高效和节能的优点;③采用的设备简单,操作方便,生产步骤少,适合于大规模生产;④避免使用水合肼等有毒害的试剂,在反应混合物中引入的杂质少,保证产物的纯度高。⑤通过控制微波加热的功率、时间等参数,可容易地调整对石墨处理的强弱程度。此外,微波加热设备开停方便,具有高效和节能的优点。
所合成的石墨烯作为电极材料可应用与超级电容器中。
以下结合具体实施例来进行说明。
实施例1
一种高纯度石墨烯的制备方法,其工艺流程如下:
(1)提供平均直径300μm,纯度99%的可膨胀石墨;
(2)将可膨胀石墨在通入混合气体(5%H2和95%Ar)的条件下,加热至800℃处理120s,形成膨胀石墨;
(3)将(2)中的膨胀石墨(1mg)加入到20ml的DMF溶液中,超声30min后配制成膨胀石墨溶液,将混合溶液放入石英反应釜中;
(4)将(3)中的反应釜放入微波炉中,调节使得微波的功率达到600W,在180℃的温度下加热5分钟。
(5)将反应釜冷却至室温,并以600rpm的速率离心120分钟,将黑色的石墨烯沉淀过滤出来,用丙酮和乙醇反复清洗,并在80℃的真空干燥箱中干燥,最终得到高纯度的石墨烯,最终产率可到达10~15%。
实施例2
一种高纯度石墨烯的制备方法,其工艺流程如下:
(1)提供平均直径500μm,纯度99%的可膨胀石墨;
(2)将可膨胀石墨在通入混合气体(2%H2和98%Ar)的条件下,加热至1200℃处理60s,形成膨胀石墨;
(3)将(2)中的膨胀石墨(1mg)加入到20ml的五氟苯腈(C6F5CN)溶液中,超声30min后配制成膨胀石墨溶液,将混合溶液放入石英反应釜中;
(4)将(3)中的反应釜放入微波炉中,调节使得微波的功率达到800W,在300℃的温度下加热15分钟。
(5)将反应釜冷却至室温,并以900rpm的速率超声90分钟,将黑色的石墨烯沉淀过滤出来,用丙酮和乙醇反复清洗,并在100℃的真空干燥箱中干燥,最终得到高纯度的石墨烯,最终产率可到达10~15%。
请参阅图2,所示为实施例1制备的石墨烯的扫描电镜(SEM)图谱。由图2可知,该方法能够得到纯度较高的石墨烯产物,且该石墨烯产物具有良好的片状结构。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (1)
1.一种石墨烯的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一、在保护气氛下加热可膨胀石墨;
步骤二、将所述加热后的可膨胀石墨溶解在溶剂中,配制成膨胀石墨溶液;
步骤三、将该膨胀石墨溶液放入密闭的石英反应釜中,然后将该石英反应釜放入微波炉中,调节使得微波的功率达到600~800W,在180~300℃的温度下加热5~15分钟;及
步骤四、将反应釜冷却至室温,将黑色的沉淀物离心沉淀后过滤出来,用丙酮和乙醇反复清洗,并在80~100℃的真空干燥箱中干燥,最终得到高纯度95~99.5%的石墨烯;
所述可膨胀石墨的平均粒径为300~500μm,纯度为95~99.5%;
所述步骤一中加热温度为800℃~1200℃,时间为60秒~120秒;
所述步骤一中保护气氛为体积分数为2%~7%H2和93%~98%Ar组成的混合气体;
所述步骤二中溶剂为DMF或C6F5CN;
所述步骤二中膨胀石墨溶液的浓度为0.05g/L~0.1g/L;
所述步骤四中离心的速率为600~900rpm,时间为90~120分钟。
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