CN102583353B - 一种水热制备石墨烯的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及石墨烯，特指一种水热制备石墨烯的方法，属于新型碳材料领域。本发明将膨胀石墨、氯化钙、尿素按一定比例混合，在水热的条件下形成碳酸钙作为插层剂，经进一步反应制备获得石墨烯。本发明采用水热法制备石墨烯，方法简单，原料易得，为实现石墨烯工业化提供一条新途径。

Description

一种水热制备石墨烯的方法
技术领域
本发明涉及石墨烯，特指一种水热制备石墨烯的方法，属于新型碳材料领域。
背景技术
石墨烯由于其独特的晶体结构特征引起了科学家们的广泛关注；它是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状(honeycomb)晶格结构的一种碳质新材料，具有超大的比表面积(2630 m2/g)，厚度仅有0.335nm，是构建其它维度碳质材料的基本单元；石墨烯结构简单，具有室温量子霍尔效应、良好的铁磁性、优异的力学、电学、热学和光学性质，可广泛应用于电子、复合材料和储能等领域。
石墨烯的制备方法有两种：机械法和化学法；机械法包括微机械分离法、气相沉积法、取向附生法和加热SiC法等；化学法主要包括化学分散法、氧化石墨还原法和石墨层间化合法等，其中氧化石墨还原法所需原料价廉易得，因而被广泛使用，但在氧化石墨的过程中产生的酸碱污染严重；还原氧化石墨采用化学还原法容易使石墨烯团聚石墨化，高温（＞1000℃）还原法对设备要求高，操作过程中存在危险性；综上所述，石墨烯目前的制备方法存在成本高且对环境污染严重等问题，因而需要寻求一种低成本、低污染的方法以实现石墨烯的工业化生产。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种水热工艺制备石墨烯的简易方法，本发明将膨胀石墨、氯化钙、尿素按一定比例混合，在水热的条件下形成碳酸钙作为插层剂，经进一步反应制备获得石墨烯。
以解决效率低，产量小，高成本，高环境污染等问题。
本发明的实验步骤是：一种制备石墨烯的方法，包括如下步骤：称取膨胀石墨，将其浸渍到氯化钙水溶液中，制得EG悬浮溶液(a)；将尿素水溶液在搅拌的条件下，滴加到EG悬浮溶液(a)中，在室温下静置制得EG悬浮液(b)；将EG悬浮溶液(b)移入以聚四氟乙烯为衬底的反应釜中，在80~150℃下反应10~20h；反应结束后，将产物真空抽滤，用去离子水洗至中性，真空烘干；将此产物分散于无水乙醇中，超声得到稳定的分散物，真空抽滤，用去离子水洗涤，真空烘干即得石墨烯。
所述的一种制备石墨烯的方法，其特征在于：所述氯化钙溶液的浓度为0.5mol/L，每15mL氯化钙溶液浸渍0.1~1g的膨胀石墨，浸渍时间为0.5~1.5h。
所述的一种制备石墨烯的方法，其特征在于：所述尿素溶液的浓度为0.2~1.6mol/L，滴加的尿素溶液的体积等于氯化钙溶液的体积，滴加后在室温下静置的时间为3~8h。
所述的一种制备石墨烯的方法，其特征在于：所述超声的时间为0.5~3h，所述真空烘干的温度为20~80℃。
所述的一种制备石墨烯的方法，其特征在于：所述将尿素水溶液在搅拌的条件下滴加到EG悬浮溶液(a)中的滴加速度控制在每分钟15毫升。
本发明采用水热法制备石墨烯，方法简单，原料易得，为实现石墨烯工业化提供一条新途径。 
附图说明
图1为实施例2所制得的石墨烯的AFM图；
图2为实施例2所制得的石墨烯的TEM图。
具体实施方式
实施例1：
天然鳞片石墨通过氧化插层制备成膨胀石墨(EG)，称取0.1g的EG浸渍到15mL 、0.5mol/L的氯化钙溶液中0.5h，制得EG悬浮溶液(a)；配制0.2mol/L的尿素溶液15mL，边搅拌边缓慢滴加到EG悬浮溶液(a)中，在室温下静置3h，制得EG悬浮溶液(b)；将EG悬浮溶液(b)移入以聚四氟乙烯为衬底的反应釜中，在80℃下反应10h；反应结束后，将产物真空抽滤，用去离子水洗至中性，在20℃下真空烘干；将此产物分散于无水乙醇中，超声0.5h，得到稳定的分散物，真空抽滤，用去离子水洗涤，在20℃下真空烘干即得石墨烯。
实施例2：
天然鳞片石墨通过氧化插层制备成膨胀石墨(EG)，称取0.2g的EG浸渍到15mL、0.5mol/L的氯化钙溶液中1h，制得EG悬浮溶液(a)；制备1mol/L的尿素溶液15mL，边搅拌边缓慢滴加到EG悬浮溶液(a)中，在室温下静置6h，制得EG悬浮溶液(b)；将EG悬浮溶液(b)移入以聚四氟乙烯为衬底的反应釜中，在100℃下反应16h；反应结束后，将产物真空抽滤，用去离子水洗至中性，在60℃下真空烘干；将此产物分散于无水乙醇中，超声1h，得到稳定的分散物，真空抽滤，用去离子水洗涤，在60℃下真空烘干即得石墨烯。
图1为实施例2制得的石墨烯AFM图，图1中可以看出石墨烯厚度约为2nm左右，由于石墨烯边缘存在翘曲及褶皱，而且石墨烯与硅衬底之间存在间隙约为0.6nm左右，由此可以看出制得的石墨烯为双层石墨烯。
图2为实施例2制得的石墨烯TEM图，图2中可以看出石墨烯片层完整，表面缺陷少，在图2中可以清晰的看见石墨烯片层边缘存在翘曲及褶皱颜色为黑色，表明制得的石墨烯完整性好，质量较高。
具体实施例3：
天然鳞片石墨通过氧化插层制备成膨胀石墨(EG)，称取1g的EG浸渍到15mL、0.5mol/L的氯化钙溶液中1.5h，制得EG悬浮溶液(a)；制备1.6mol/L的尿素溶液15mL，边搅拌边缓慢滴加到EG悬浮溶液(a)中，在室温下静置8h，制得EG悬浮溶液(b)；将EG悬浮溶液(b)移入以聚四氟乙烯为衬底的反应釜中，在150℃下反应20h；反应结束后，将产物真空抽滤，用去离子水洗至中性，在80℃下真空烘干；将此产物分散于无水乙醇中，超声3h，得到稳定的分散物，真空抽滤，用去离子水洗涤，在80℃下真空烘干即得石墨烯。 

Claims (5)

1.一种水热制备石墨烯的方法，其特征在于：将膨胀石墨、氯化钙、尿素按比例混合，在水热的条件下形成碳酸钙作为插层剂，经进一步反应制备获得石墨烯，具体步骤为：称取膨胀石墨，将其浸渍到氯化钙水溶液中，制得EG悬浮溶液(a)；将尿素水溶液在搅拌的条件下，滴加到EG悬浮溶液(a)中，在室温下静置制得EG悬浮液(b)；将EG悬浮溶液(b)移入以聚四氟乙烯为衬底的反应釜中，在80~150℃下反应10~20h；反应结束后，将产物真空抽滤，用去离子水洗至中性，真空烘干；将此产物分散于无水乙醇中，超声得到稳定的分散物，真空抽滤，用去离子水洗涤，真空烘干即得石墨烯。
2.如权利要求1所述的一种水热制备石墨烯的方法，其特征在于：所述氯化钙溶液的浓度为0.5mol/L，每15mL氯化钙溶液浸渍0.1~1g的膨胀石墨，浸渍时间为0.5~1.5h。
3.如权利要求1所述的一种水热制备石墨烯的方法，其特征在于：所述尿素溶液的浓度为0.2~1.6mol/L，滴加的尿素溶液的体积等于氯化钙溶液的体积，滴加后在室温下静置的时间为3~8h。
4.如权利要求1所述的一种水热制备石墨烯的方法，其特征在于：所述超声的时间为0.5~3h，所述真空烘干的温度为20~80℃。
5.如权利要求1所述的一种水热制备石墨烯的方法，其特征在于：所述将尿素水溶液在搅拌的条件下滴加到EG悬浮溶液(a)中的滴加速度控制在每分钟15毫升。
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