CN102745673A - 一种工业用大型反应釜制备大规模石墨烯的方法 - Google Patents

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丁荣
郭喜涛
倪振华
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Abstract

本发明涉及一种工业用大型反应釜制备大规模石墨烯的方法,是将石墨粉在工业用大型反应釜中氧化成氧化石墨烯浆料,经洗涤干燥后,在高温烧结炉中还原成石墨烯。此方法获得的石墨烯具有产量大、成本低、制备周期短、产率高、杂质离子含量低等特点。并且,利用废弃回收的石墨粉作为碳源,有效的提高了环境资源的利用率,特别适合工业化规模生产,并能推动石墨烯在储能器件等领域的应用。

Description

一种工业用大型反应釜制备大规模石墨烯的方法
所属技术领域
本发明涉及纳米材料石墨烯的生产技术,尤其是用工业用大型反应釜制备大规模、低成本石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯(graphene)是由碳原子排列成蜂窝状六角平面结构而构成的二维晶体。石墨烯具有优异的电学、光学、热学及机械性能,并有极高的稳定性,在微电子器件、光电器件、储能器件等多个领域都有极其广泛的应用。
石墨烯的大批量制备是其今后能够广泛应用的基础,而在大规模生产过程中的成本控制、产量放大、生产周期缩短、环境保护等因素都是需要克服的难题。现有技术中最有可能率先实现石墨烯产业化应用的制备方法是氧化石墨并还原法,但是,目前氧化法制备石墨烯存在着产量较低、周期较长、成本还需继续下降、杂质离子含量较多、以及环境保护(化学试剂,尾气排放)等方面的问题。
发明内容
为了解决现有方法制备石墨烯存在产量低、生产周期长、成本偏高、杂质离子含量多等问题,本发明提供一种工业用大型反应釜制备大规模石墨烯的方法,可提高石墨烯的产量、降低生产成本、缩短生产周期 、减少杂质离子含量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:石墨粉在工业用大型反应釜中氧化成氧化石墨烯浆料,经洗涤干燥后,在高温烧结炉中还原成石墨烯。
本发明涉及一种工业用大型反应釜制备大规模石墨烯的方法,其具体步骤如下:
(1)石墨与浓硫酸混合
首先,将50-500g商业用石墨粉或废弃回收石墨粉与浓度为98%的浓硫酸加入工业用反应釜后搅拌使其均匀混合,同时用循环冷却装置保持反应釜内温度小于20摄氏度;
(2)添加高锰酸钾
混合均匀后,缓慢地将高锰酸钾加入到上述反应釜中,同时用机械搅拌器高速搅拌上述溶液,使高锰酸钾能够与上述溶液充分接触;在此过程中利用循环冷却装置保持反应釜内温度小于20摄氏度;
(3)滴入蒸馏水
之后,缓慢加入一定量蒸馏水至反应釜中,使用外部循环加热装置使釜内反应溶液温度上升至80-90oC,溶液变成灰黄色,并伴有粉红色烟雾产生,保持此温度15-30分钟;
(4)添加双氧水
将250-2500ml双氧水缓慢加入到上述反应釜中,溶液变成亮黄色,至此氧化过程结束,得氧化石墨烯浆料;
(5)洗涤、干燥氧化石墨烯浆料
用盐酸洗涤上述氧化石墨烯浆料,至上层溶液不含硫酸根为止,将一定浓度氢氧化钾溶液加入至氧化石墨烯浆料中至Ph值为9-10,机械搅拌使氢氧化钾与氧化石墨烯浆料充分接触,再用清水洗去多余离子并干燥;
(6)还原并获得石墨烯
将获得的氧化石墨烯样品放入高温炉中,在氩气或氢气的环境下加热至500-800摄氏度并保持1-3小时,样品急剧膨胀并转变为黑色,至此,大批量1-5原子层厚的石墨烯样品制备完成。
本发明所述反应釜的容量为5L-50L;石墨粉为商业用石墨粉或废弃回收石墨粉,石墨粉用量在50-500g;98%的浓硫酸用量宜在2L-20L;高锰酸钾用量在250-2500g,添加高锰酸钾后此时溶液由黑色变成墨绿色;双氧水用量在250-2500ml,加入双氧水后溶液变成亮黄色;所述洗涤是用5-10%的盐酸洗涤;所述还原即将干燥后的氧化石墨烯浆料置于工业用高温烧结炉中在还原介质中于500-800oC加热1-3小时,样品急剧膨胀并转变为黑色;所述还原介质为氢气或氩气。
采用以上方案后,获得的石墨烯具有产量大、成本低、制备周期短、产率高、杂质离子含量低等特点。并且,利用废弃回收的石墨粉作为碳源,有效的提高了环境资源的利用率,并能由此获得巨大的环境效益,经济效益和社会效益,实现资源的可持续利用。此方法迎合了目前石墨烯工业应用中对材料大量、快速、低成本、环保的需求,有利于实现工业化规模生产并推动石墨烯在储能器件等领域的应用。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步描述。
图1为本发明实例中获得的石墨烯的拉曼光谱图。
具体实施方式
本发明一种工业用大型反应釜制备大规模石墨烯的方法,石墨粉在工业用大型反应釜中氧化成氧化石墨烯浆料,经洗涤干燥后,在高温烧结炉中还原成石墨烯。
本发明一种工业用大型反应釜制备大规模石墨烯的方法,其具体步骤如下:
(1)石墨与浓硫酸混合
首先,50-500g商业用石墨粉或废弃回收石墨粉与浓度为98%的浓硫酸加入工业用大型反应釜后搅拌使其均匀混合,同时用循环冷却装置保持反应釜内温度小于20摄氏度;
(2)添加高锰酸钾
混合均匀后,缓慢地将高锰酸钾加入到上述反应釜中,同时用机械搅拌器高速搅拌上述溶液,使高锰酸钾能够与上述溶液充分接触;在此过程中利用循环冷却装置保持反应釜内温度小于20摄氏度;
(3)滴入蒸馏水
之后,缓慢加入一定量蒸馏水至反应釜中,使用外部循环加热装置使釜内反应溶液温度上升至70-95oC,溶液变成灰黄色,并伴有粉红色烟雾产生,保持此温度15-30分钟;
(4)添加双氧水
将250-2500ml双氧水缓慢加入到上述反应釜中,溶液变成亮黄色,至此氧化过程结束,得氧化石墨烯浆料;
(5)洗涤、干燥氧化石墨烯浆料
用盐酸洗涤上述氧化石墨烯浆料,至上层溶液不含硫酸根为止,将一定浓度氢氧化钾溶液加入至氧化石墨烯浆料中至Ph值为9-10,机械搅拌使氢氧化钾与氧化石墨烯浆料充分接触,再用清水洗去多余离子并在50-80摄氏度下烘烤干燥;
(6)还原并获得石墨烯
将获得的氧化石墨烯样品放入高温炉中,在氩气或氢气的环境下加热至400-900摄氏度并保持1-4小时,样品急剧膨胀并转变为黑色,至此,大批量1-5原子层厚的石墨烯样品制备完成。
本发明所述大型反应釜的容量为5L-50L;石墨粉为商业用石墨粉或废弃回收石墨粉,石墨粉用量在50-500g;98%的浓硫酸用量宜在2L-20L;高锰酸钾用量在250-2500g,添加高锰酸钾后此时溶液由黑色变成墨绿色;双氧水用量在250-2500ml,加入双氧水后溶液变成亮黄色;所述洗涤是用5-10%的盐酸洗涤;所述还原介质为氢气或氩气。
本发明具体实施方式如下:将商业用石墨粉或废弃回收石墨粉与浓硫酸混入工业用大型反应釜(5L-50L)中搅拌使其混合均匀。再缓慢添加高锰酸钾,充分搅拌并通过循环冷却设备保持反应溶液温度低于20摄氏度。添加完后,通过循环加热设备使溶液温度升至35摄氏度,保持该温度30-90分钟。之后往反应釜中缓慢加入一定量蒸馏水,通过循环加热设备使溶液温度升至80-90摄氏度并保持15-30分钟。然后降温并将双氧水缓慢加入上述反应釜中,至此,氧化过程结束并获得氧化石墨烯浆料。依次用一定浓度的盐酸和氢氧化钾加入反应釜中洗涤浆料,然后用去离子水洗去多余杂质离子并在50-80摄氏度下烘烤干燥。最后,将所得的氧化石墨烯样品置于工业用高温烧结炉中在氢气或氩气等环境下于400-900oC加热1-4小时,即可还原得到1-5个原子层厚的石墨烯样品。
实施例1:  
一、石墨与浓硫酸混合
首先,50.0g商业用石墨粉(纯度98%)与2L 98%的浓硫酸加入5L工业用大型反应釜后搅拌使其均匀混合,同时用循环冷却装置保持反应釜中温度小于20摄氏度;
二、添加高锰酸钾
混合均匀后,缓慢(非常缓慢,加热过程中会急剧升温)地将250g高锰酸钾加入到上述反应釜中,同时用机械搅拌器高速搅拌上述溶液,使高锰酸钾能够与前述溶液充分接触;在添加过程中,使用外部循环冷却设备保持釜内反应溶液温度处于20摄氏度以下;此时溶液由黑色变成墨绿色;添加结束后,使用外部循环加热装置将溶液温度升至35摄氏度,并使反应溶液温度保持30分钟;此时,溶液颜色缓慢变成棕褐色;
三、滴入蒸馏水
之后,缓慢加入一定量蒸馏水至反应釜中,通过循环加热装置使釜内反应溶液温度上升至80oC,溶液变成灰黄色,并伴有粉红色烟雾产生;保持此温度15分钟;
四、添加双氧水
将250ml双氧水缓慢加入到上述反应釜中,溶液变成亮黄色,至此氧化过程结束,得氧化石墨烯浆料;
五、洗涤、干燥氧化石墨烯浆料
用5%的盐酸洗涤上述氧化石墨烯浆料,至上层溶液不含硫酸根为止;将一定浓度氢氧化钾溶液加入至氧化石墨烯浆料中至Ph值为9,机械搅拌使氢氧化钾与氧化石墨烯浆料充分接触;最后用清水洗去多余离子并在50-80摄氏度下烘烤干燥;
六、还原并获得石墨烯
将获得的氧化石墨烯样品放入高温炉中,在氩气的环境下加热至500摄氏度并保持3小时,样品急剧膨胀并转变为黑色;至此,大批量石墨烯样品制备完成。
根据图1所示,按上述实施例步骤获得氧化石墨烯的拉曼光谱图。
实施例2: 
一、 石墨与浓硫酸混合
首先,100g废弃电池中回收的石墨粉与4L 98%的浓硫酸加入10L工业用大型反应釜后搅拌使其均匀混合,同时用循环冷却装置保持反应釜中温度小于20摄氏度;
二、 添加高锰酸钾
混合均匀后,缓慢(非常缓慢,加热过程中会急剧升温)地将500g高锰酸钾加入到上述反应釜中,同时用机械搅拌器高速搅拌上述溶液,使高锰酸钾能够与前述溶液充分接触;在添加过程中,使用外部循环冷却设备保持釜内反应溶液温度处于20摄氏度以下;此时溶液由黑色变成墨绿色;添加结束后,使用外部循环加热装置将溶液温度升至35摄氏度,并使反应溶液温度保持60分钟;此时,溶液颜色缓慢变成棕褐色;
三、 滴入蒸馏水
之后,缓慢加入一定量蒸馏水至反应釜中,通过循环加热装置使釜内反应溶液温度上升至85oC,溶液变成灰黄色,并伴有粉红色烟雾产生;保持此温度20分钟;
四、 添加双氧水
将500ml双氧水缓慢加入到上述反应釜中,溶液变成亮黄色,至此氧化过程结束,得氧化石墨烯浆料;
五、 洗涤、干燥氧化石墨烯浆料
用10%的盐酸洗涤上述氧化石墨烯浆料,至上层溶液不含硫酸根为止;将一定浓度氢氧化钾溶液加入至氧化石墨烯浆料中至Ph值为9,机械搅拌使氢氧化钾与氧化石墨烯浆料充分接触;最后用清水洗去多余离子并在50-80摄氏度下烘烤干燥;
六、还原并获得石墨烯
将获得的氧化石墨烯样品放入高温炉中,在氢气的环境下加热至600摄氏度并保持2小时,样品急剧膨胀并转变为黑色;至此,大批量石墨烯样品制备完成。
实施例3: 
一、石墨与浓硫酸混合
首先,500g商业用石墨粉(纯度99.8%)与20L 98%的浓硫酸加入50L工业用大型反应釜后搅拌使其均匀混合,同时用循环冷却装置保持反应釜中温度小于20摄氏度;
二、添加高锰酸钾
混合均匀后,缓慢(非常缓慢,加热过程中会急剧升温)地将2500g高锰酸钾加入到上述反应釜中,同时用机械搅拌器高速搅拌上述溶液,使高锰酸钾能够与前述溶液充分接触;在添加过程中,使用外部循环冷却设备保持釜内反应溶液温度处于20摄氏度以下;此时溶液由黑色变成墨绿色;添加结束后,使用外部循环加热装置将溶液温度升至35摄氏度,并使反应溶液温度保持60分钟;此时,溶液颜色缓慢变成棕褐色;
三、 滴入蒸馏水
之后,缓慢加入一定量蒸馏水至反应釜中,通过循环加热装置使釜内反应溶液温度上升至85oC,溶液变成灰黄色,并伴有粉红色烟雾产生,保持此温度30分钟;
四、添加双氧水
将2500ml双氧水缓慢加入到上述反应釜中,溶液变成亮黄色,至此氧化过程结束,得氧化石墨烯浆料;
五、洗涤、干燥氧化石墨烯浆料
用5%的盐酸洗涤上述氧化石墨烯浆料,至上层溶液不含硫酸根为止;将一定浓度氢氧化钾溶液加入至氧化石墨烯浆料中至Ph值为10,机械搅拌使氢氧化钾与氧化石墨烯浆料充分接触;最后用清水洗去多余离子并在50-80摄氏度下烘烤干燥;
六、还原并获得石墨烯
将获得的氧化石墨烯样品放入高温炉中,在氩气的环境下加热至800摄氏度并保持2小时,样品急剧膨胀并转变为黑色;至此,大批量石墨烯样品制备完成。

Claims (4)

1.一种工业用大型反应釜制备大规模石墨烯的方法,其特征是:石墨粉在工业用反应釜中氧化成氧化石墨烯浆料,经洗涤干燥后,在高温烧结炉中还原成石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种工业用大型反应釜制备大规模石墨烯的方法,其具体步骤如下:
(1)石墨与浓硫酸混合
首先,50-500g商业用石墨粉或废弃回收石墨粉与浓度为98%的浓硫酸加入工业用反应釜后搅拌使其均匀混合,同时用循环冷却装置保持反应釜内温度小于20摄氏度;
(2)添加高锰酸钾
混合均匀后,缓慢地将高锰酸钾加入到上述反应釜中,同时用机械搅拌器高速搅拌上述溶液,使高锰酸钾能够与上述溶液充分接触;在此过程中利用循环冷却装置保持反应釜内温度小于20摄氏度;
(3)滴入蒸馏水
之后,缓慢加入一定量蒸馏水至反应釜中,使用外部循环加热装置使釜内反应溶液温度上升至70-95oC,溶液变成灰黄色,并伴有粉红色烟雾产生,保持此温度10-40分钟;
(4)添加双氧水
将250-2500ml双氧水缓慢加入到上述反应釜中,溶液变成亮黄色,至此氧化过程结束,得氧化石墨烯浆料;
(5)洗涤、干燥氧化石墨烯浆料
用盐酸洗涤上述氧化石墨烯浆料,至上层溶液不含硫酸根为止,将一定浓度氢氧化钾溶液加入至氧化石墨烯浆料中至Ph值为9-10,机械搅拌使氢氧化钾与氧化石墨烯浆料充分接触,再用清水洗去多余离子并在40-90摄氏度下烘烤干燥;
(6)还原并获得石墨烯
将获得的氧化石墨烯样品放入高温炉中,在氩气或氢气的环境下加热至300-900摄氏度并保持1-4小时,样品急剧膨胀并转变为黑色,至此,大批量1-5原子层厚的石墨烯样品制备完成。
3.根据权利要求1或2所述的一种工业用大型反应釜制备大规模石墨烯的方法,其特征是:所述大型反应釜的容量为5L-50L。
4.根据权利要求1所述的一种工业用大型反应釜制备大规模石墨烯的方法,其特征是:石墨粉为商业用不同纯度石墨粉(95%-99.99%)或废弃回收石墨粉,石墨粉用量在50-500g。
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