CN103204500B - 一种基于高温电解反应的石墨烯制备方法 - Google Patents

一种基于高温电解反应的石墨烯制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于高温电解反应的石墨烯制备方法是将碳酸钙和碳酸锂粉末混合均匀后在高温下熔融，通入电流，电解还原碳酸钙制备得到石墨烯。本发明可操作性强，成本低，适于工业化生产，是一种绿色环保的低碳生产工艺。

Description

一种基于高温电解反应的石墨烯制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于高温电解反应的石墨烯制备方法。
背景技术
石墨烯是由碳原子通过SP2杂化组成的六角蜂巢状二维网格结构的一种新型炭材料，其厚度仅为0.335nm，是目前世界上最薄的纳米材料。2004年由英国曼彻斯特大学的两位科学家Andre Geim和Konstantin Novoselov发现，并因此获得了2010年度的诺贝尔物理学奖。石墨烯是人类已知强度最高，导电性、导热性最好的材料，拥有众多令人神往的发展前景，然而要实现在诸多领域的广泛应用，需要解决的关键问题是如何能够规模化低成本的制备出高品质的石墨烯。在迄今为止的石墨烯的制备方法中，微机械剥离法无法可靠地制造出大尺度的石墨烯；外延取向生长法需要使用昂贵的稀有金属，成本较高，且反应条件苛刻，对设备要求高；化学气相沉积法虽然可以满足制备高质量的石墨烯的要求，但是工艺复杂，而且产量低，因此也不适合大批量生产；氧化-还原法产量大，成本低，但在此方法中会产生大量污染环境的废液，而且所得石墨烯缺陷较多。石灰石在地球上的储量丰富，而且价格低廉。因此本发明提出了用高温电解熔融态的石灰石制备石墨烯。
发明内容
本发明的目的为了克服现有技术在制备石墨烯的过程中工艺流程复杂，周期长，产生大量的废液污染环境和成本高等缺点，本发明提供了一种基于高温电解反应的石墨烯制备方法。确切地说是利用高温下熔融态的碳酸钙在电解反应中被还原生成石墨烯。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于高温电解反应的石墨烯制备方法，其主要特点在于包括下述步骤：
1)将质量比为3∶4～6的碳酸钙和碳酸锂粉末混合均匀后装入反应器，以两种金属片为电解反应的阴阳极，在反应器的两极施加0.1～10V的电压；
2)将反应器送入高温炉内，在氩气60～65毫升/分钟的保护下4～6小时内升温到650～800℃，在650～800℃下反应4～12小时，然后在氩气的保护下冷却到室温，即得到黑色的块状固体；
3)将所得黑色块状固体与2～6mol/L的盐酸溶液反应20～40分钟，然后用蒸馏水离心洗涤至中性，即得到高纯度的石墨烯。
所述的基于高温电解反应的石墨烯制备方法中的金属片为不锈钢、铁、铜或镍。
碳酸钙的分解温度是825℃，发生电解反应需要碳酸钙处于熔融态，混合碳酸盐可以降低碳酸钙的熔融温度，所以在碳酸钙中添加适量的碳酸锂作为反应的助熔剂，碳酸钙在低于800℃发生电解反应生成氧化钙，氧气和石墨烯。
本发明相比现有技术的优点在于：可操作性强，成本低，适于工业化生产，是一种绿色环保的低碳生产工艺。
附图说明
图1为在750℃下反应4小时，所得石墨烯的SEM图。
图2为在750℃下反应4小时，所得石墨烯的Raman谱图。
具体实施方式
实施例1：一种基于高温电解反应的石墨烯制备方法，包括下述步骤：
1)将质量比为3∶5的碳酸钙和碳酸锂粉末混合均匀后装入反应器，以不锈钢片为电解反应的阴极，以镍片为电解反应的阳极，在反应器的两极施加1.5V的电压；
2)将反应器送入高温炉内，在60毫升/分钟氩气的保护下6小时内升温到750℃，在750℃下反应4小时，然后在氩气的保护下冷却到室温，即得到黑色的块状固体；
3)将所得黑色块状固体与6mol/L的盐酸溶液反应40分钟，然后用蒸馏水离心洗涤至中性，即得到高纯度的石墨烯。
所得石墨烯SEM如图1所示，Raman光谱图如图2所示。
实施例2：一种基于高温电解反应的石墨烯制备方法，包括下述步骤：
1)将质量比为3∶4的碳酸钙和碳酸锂粉末混合均匀后装入反应器，以不锈钢片为电解反应的阴极，以铜片为电解反应的阳极，在反应器的两极施加3.5V的电压；
2)将反应器送入高温炉内，在62毫升/分钟氩气的保护下5小时内升温到800℃，在800℃下反应12小时，然后在氩气的保护下冷却到室温，即得到黑色的块状固体；
3)将所得黑色块状固体与5mol/L的盐酸溶液反应30分钟，然后用蒸馏水离心洗涤至中性，即得到高纯度的石墨烯。
实施例3：一种基于高温电解反应的石墨烯制备方法，包括下述步骤：
1)将质量比为3∶4的碳酸钙和碳酸锂粉末混合均匀后装入反应器，以不锈钢片为电解反应的阴极，以铁片为电解反应的阳极，在反应器的两极施加2V的电压；
2)将反应器送入高温炉内，在65毫升/分钟氩气的保护下4小时内升温到700℃，在700℃下反应8小时，然后在氩气的保护下冷却到室温，即得到黑色的块状固体；
3)将所得黑色块状固体与4mol/L的盐酸溶液反应30分钟，然后用蒸馏水离心洗涤至中性，即得到高纯度的石墨烯。

Claims (2)

1.一种基于高温电解法制备石墨烯的方法，其特征在于包括下述步骤：
1)将质量比为3∶4～6的碳酸钙和碳酸锂粉末混合均匀后装入反应器，以两种金属片为电解反应的阴阳极，在反应器的两极施加0.1～10V的电压；
2)将上述反应器送入高温炉内，在60～65毫升/分钟的氩气保护下4～6小时内升温到650～800℃，在650～800℃下反应4～12小时，然后在氩气的保护下冷却到室温，即得到黑色的块状固体；
3)将所得黑色块状固体与2～6mol/L的盐酸溶液反应20～40分钟，然后用蒸馏水离心洗涤至中性，即得到高纯度的石墨烯。
2.如权利要求1所述的一种基于高温电解法制备石墨烯的方法，其特征在于所述的金属片为不锈钢、铁、铜或镍。
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